روشی جدید برای مطالعه حرکات فوق سریع پروتئین ها

پروتئین ها مولکول های بیولوژیکی هستند که تقریباً تمام وظایف بیوشیمیایی را در تمام اشکال زندگی انجام می دهند. در انجام این کار، سازه های کوچک حرکات فوق العاده سریع انجام می دهند. به منظور بررسی دقیق‌تر این فرآیندهای پویا، محققان الگوریتم جدیدی ایجاد کرده‌اند که می‌تواند برای ارزیابی کارآمدتر اندازه‌گیری‌ها در لیزرهای الکترون آزاد پرتو ایکس مانند SwissFEL استفاده شود. آنها اکنون آن را در مجله ارائه کرده اند دینامیک سازه.

گاهی اوقات، هنگام استفاده از سیستم ناوبری هنگام سفر با ماشین، دستگاه شما را برای مدت کوتاهی از جاده خارج می کند. این به دلیل عدم دقت موقعیت یابی GPS است که می تواند به چندین متر برسد. با این حال، الگوریتم موجود در Sat Nav به زودی متوجه این موضوع می شود و مسیر نمایش داده شده روی صفحه را اصلاح می کند، یعنی آن را دوباره در جاده قرار می دهد.

یک اصل قابل مقایسه برای پرداختن به دنباله‌های حرکتی غیرواقعی اکنون توسط تیمی از محققان به رهبری فیزیکدان PSI سیسیلیا کاسادی با موفقیت به کار گرفته شده است. با این حال، موضوعات مورد بررسی آنها حدود یک میلیارد بار کوچکتر از یک ماشین است: پروتئین ها. این اجزای سازنده حیات، عملکردهای حیاتی را در همه موجودات شناخته شده انجام می دهند. در انجام این کار، آنها اغلب حرکات فوق سریع انجام می دهند. تجزیه و تحلیل دقیق این حرکات برای درک ما از پروتئین ها ضروری است که می تواند به ما در تولید عوامل پزشکی جدید، از جمله چیزهای دیگر، کمک کند.

نحوه فیلمبرداری از پروتئین ها…

برای بهبود بیشتر درک حرکات پروتئین، Casadei به همراه سایر محققان PSI، محقق DESY در هامبورگ و سایر همکارانش در دانشگاه ویسکانسین در میلواکی، ایالات متحده، الگوریتمی را توسعه داده‌اند که داده‌های به‌دست‌آمده در آزمایش‌های X- را ارزیابی می‌کند. لیزر الکترون آزاد پرتو (XFEL). XFEL یک مرکز تحقیقاتی در مقیاس بزرگ است که فلاش های بسیار شدید و کوتاه نور اشعه ایکس با کیفیت لیزر را ارائه می دهد. در اینجا می توان از روشی به نام کریستالوگرافی پرتو ایکس سریال فمتوثانیه ای با تفکیک زمانی (TR-SFX) برای مطالعه حرکات فوق سریع پروتئین ها استفاده کرد.

اندازه‌گیری‌ها به چند دلیل بسیار پیچیده هستند: پروتئین‌ها برای تصویربرداری مستقیم بسیار کوچک هستند، حرکات آنها فوق‌العاده سریع است، و پالس شدید نور پرتو ایکس یک FEL پروتئین‌ها را کاملاً از بین می‌برد. در سطح تجربی، TR-SFX در حال حاضر تمام این مشکلات را حل می‌کند: هیچ مولکولی جداگانه اندازه‌گیری نمی‌شود، بلکه تعداد زیادی مولکول پروتئینی یکسان با هم رشد می‌کنند تا کریستال‌های پروتئینی را تشکیل دهند. هنگامی که نور اشعه ایکس FEL به این کریستال ها می تابد، اطلاعات به موقع قبل از اینکه کریستال ها و پروتئین های آنها توسط پالس نور از بین بروند، ضبط می شود. داده‌های خام حاصل از اندازه‌گیری‌ها به‌اصطلاح تصاویر پراش در دسترس هستند: نقاط نوری که با آرایش منظم پروتئین‌ها در کریستال ایجاد می‌شوند و توسط یک آشکارساز ثبت می‌شوند.

… و نحوه ارزیابی داده های اندازه گیری

در جایی که چالش های تجربی غلبه کرده اند، ارزیابی داده ها تازه شروع شده است. “اندازه گیری هر کریستال منفرد تنها دو درصد از داده های یک تصویر کامل را ارائه می دهد.” این ناقصی دلایل فیزیکی و تجربی دارد و تنها با ترکیب داده‌های اندازه‌گیری بسیاری از کریستال‌ها به صورت معنادار قابل رفع است. تحقیقات Casadei دقیقاً بر چگونگی انجام این کار متمرکز است.

روشی که تاکنون ایجاد شده است، “binning و ادغام” نامیده می شود. کاسادی می گوید: «در دهه گذشته دستاوردهای زیادی با این روش حاصل شده است. با این روش، داده ها به بازه های زمانی تقسیم می شوند و تمام داده ها در یک بازه، یک «بین»، میانگین می شوند. با این حال، بسیاری از اطلاعات دقیق نیز در این میانگین گیری از بین می روند.

می توان گفت که تصاویر منفرد از فیلم پروتئینی کمی پاک می شوند. به همین دلیل است که ما روشی را توسعه داده‌ایم که به ما امکان می‌دهد از داده‌های اندازه‌گیری بهره بیشتری ببریم.”

سیسیلیا کاسادی، فیزیکدان PSI

روش جدید ابداع شده توسط Casadei و همکارانش “تحلیل طیفی پایین گذر” یا به اختصار LPSA نامیده می شود. کاسادی توضیح می‌دهد: «مانند فناوری‌های الکترونیکی یا صوتی، ما از یک فیلتر پایین‌گذر استفاده می‌کنیم. “با این حال، در مورد ما به شکل جبر خطی پیشرفته می آید. ما این فرمول ها را برای حذف نویزهای ناخواسته از داده ها بدون از دست دادن جزئیات مربوطه اعمال می کنیم.”

به عبارت کوتاه و ساده، داده های خام، یعنی تصاویر پراش کریستال های پروتئین، در سراسر حرکت پروتئین ردیابی می شوند. فرض بر این است که این حرکت صاف، یعنی بدون تکان است. مشابه نحوه تصحیح سیستم ناوبری هنگامی که خودرو به ظاهر مسیر جاده را ترک می کند، الگوریتم جدید کاسادی و همکارانش خطاهای بازسازی حرکت پروتئین را کاهش می دهد.

HDR برای فیلم های پروتئینی

افراد عادی ممکن است تفاوت زیادی را در فیلم های پروتئینی جدید متوجه نشوند. اما برای سینماگران در لیزرهای الکترون آزاد اشعه ایکس، این بهبود با تغییر از فیلم DVD به کیفیت HDR قابل مقایسه است.

کاسادی می گوید: مهمتر از همه، الگوریتم جدید اکنون به محققان SwissFEL در PSI اجازه می دهد تا اطلاعات بیشتری را از داده های خود استخراج کنند. برعکس، این بدان معناست که الگوریتم می تواند به کوتاه کردن زمان اندازه گیری طولانی کمک کند. از آنجایی که زمان پرتو همیشه در تاسیسات تحقیقاتی در مقیاس بزرگ و به ویژه در SwissFEL تقاضای زیادی دارد، این یک چشم‌انداز بسیار خوشایند برای محققان پروتئینی است که از این مرکز بسیار پیشرفته استفاده می‌کنند.