Cristalografia cu raze X atinge o rezoluție record în studiul structurii proteinelor
Cercetătorii au reușit să determine structura unei proteine la o rezoluție de 0,43 Ångström, ceea ce reprezintă, potrivit echipei, cea mai înaltă rezoluție obținută vreodată pentru o structură proteică. Rezultatul a fost obținut prin combinarea cristalografiei cu raze X de ultimă generație cu modele avansate de chimie cuantică, apropiind biologia structurală de chimia cuantică.
Studiul a fost condus de o echipă internațională formată din cercetători de la Institutul Max Planck pentru Științe Multidisciplinare din Göttingen, EMBL Hamburg, DECTRIS din Baden, Universitatea din Varșovia și Global Phasing Ltd. din Cambridge. Proteina analizată este rubredoxina arheală, iar rezultatele au fost publicate în Acta Crystallographica Section D: Structural Biology.
Rezoluția record a fost posibilă datorită unei serii de inovații tehnice și proceduri optimizate. Experimentele anterioare ale aceleiași echipe au investigat modul în care razele X alterează structura proteinelor și felul în care daunele provocate de radiații interferează cu rafinarea și interpretarea modelelor atomice. În cadrul acestor experimente, cercetătorii au dezvoltat o abordare numită „rezoluție în funcție de doză”, bazată pe protocoale de colectare a datelor cu doze reduse pe cristale proteice mari, expuse unui fascicul cu profil uniform.
Pentru noul studiu, oamenii de știință au folosit una dintre cele mai puternice surse de raze X din lume, PETRA III de la DESY din Hamburg, Germania. Colectarea datelor de înaltă calitate s-a realizat la linia de fascicul P14 furnizată de EMBL Hamburg, care generează un fascicul de raze X cu intensitate uniformă, cunoscut sub denumirea de fascicul „top-hat”. Avantajul acestuia constă în faptul că dimensiunea și forma pot fi ajustate înainte de fiecare colectare de date, pentru a se potrivi cu dimensiunile fiecărui cristal proteic, permițând un control precis asupra dozei de raze X livrate eșantionului.
Datele cristalografice de înaltă rezoluție au permis echipei să determine pozițiile nucleare exacte ale atomilor din structură, inclusiv ale tuturor atomilor de hidrogen. Mai mult, acuratețea densităților electronice derivate din aceste date a scos la iveală fenomene mecanice cuantice direct din structura experimentală, inclusiv electroni aflați la mijlocul legăturilor chimice și sarcini atomice parțiale.
Potrivit cercetătorilor, această observație indică faptul că factorii de împrăștiere „sferici”, utilizați în mod obișnuit pentru rafinarea modelelor atomice ale macromoleculelor biologice, sunt inadecvati pentru a descrie rezultatele structurale la asemenea rezoluții înalte. Pentru a explica în mod corespunzător structura experimentală și densitățile electronice, echipa a folosit factori de împrăștiere „nesferici”, pentru a ține cont de fenomenele mecanice cuantice observate.
Autorii notează că aceste descoperiri sunt de o importanță deosebită pentru interesul lor de a cartografia precis rolul câmpurilor electrice locale în enzime și de a vizualiza funcționarea acestora în timpul reacțiilor. Extrapolând rezultatele și metodologia, ei anticipează că, dispunând de date precise de difracție cu raze X, ar putea deveni posibilă efectuarea de rutină a cristalografiei cuantice pe macromolecule biologice. Obiectivul pe termen lung este obținerea unor cunoștințe aprofundate despre reacțiile catalizate de enzime, pentru a susține viitoare realizări în chimie, știința materialelor și medicină.
