Los científicos logran un gran avance en la alineación láser de imágenes macromoleculares de una sola partícula
Visualización de estructuras moleculares con un nivel de detalle sin precedentes
La imagen difractiva de una sola partícula (SPI) mediante láseres de electrones libres de rayos X permite a los investigadores reconstruir la estructura de nanopartículas y biomoléculas. Sin embargo, la técnica suele requerir la obtención de imágenes de hasta varios miles de millones de nanopartículas para producir la imagen e impone limitaciones a su claridad y nitidez. Investigadores del Centro de Ciencia Láser de Electrones Libres del DESY, junto con colegas internacionales, han demostrado recientemente que es posible lograr una alineación inducida por láser para mejorar significativamente las técnicas de imagen molecular. Este confinamiento geométrico de las moléculas en el experimento de obtención de imágenes de rayos X facilitará enormemente la recuperación de la orientación molecular y, por tanto, la recuperación de la estructura. De este modo se supera un reto importante en la obtención de imágenes difractivas de una sola partícula. Este nuevo avance allana el camino para resolver las estructuras tridimensionales de proteínas y otras macromoléculas mediante SPI.
Un láser óptico permite alinear biomoléculas complejas para obtener imágenes de una sola molécula.
DESY-CFEL–CMI, Muhamed Amin
La alineación inducida por láser utiliza la interacción entre la polarizabilidad anisotrópica de la molécula y el campo eléctrico de un pulso láser. El pulso láser induce un momento dipolar eléctrico transitorio en la molécula, que sigue el campo eléctrico del pulso láser. Esto obliga a las moléculas a girar hacia una orientación en la que se optimiza la interacción de polarizabilidad, es decir, a alinear el eje más polarizable de la molécula con la polarización láser, lo que da lugar a la alineación geométrica de las moléculas y, por tanto, a su fijación en el espacio.
En el trabajo actual, los investigadores demostraron computacionalmente que las nanopartículas y las proteínas pueden alinearse fuertemente utilizando las tecnologías láser estándar actuales. Analizando 150 000 proteínas de la base de datos internacional de proteínas (PDB), demostraron que la mayoría de ellas podían alinearse utilizando condiciones experimentales realistas. Esto aumenta su visibilidad en los experimentos de difracción de una sola partícula. El equipo publicó sus resultados en la revista Journal of the American Chemical Society.
Los hallazgos abordan un problema de larga data en la obtención de imágenes de una sola partícula, donde las moléculas se capturan normalmente en orientaciones aleatorias, lo que dificulta la reconstrucción en 3D. Los investigadores también predicen que el enfriamiento de las moléculas a temperaturas criogénicas, una técnica que el grupo está aplicando activamente, mejora el grado de alineación y también reduce los posibles daños por radiación, perfeccionando aún más la técnica.
Este avance tiene importantes implicaciones para la biología estructural y la nanotecnología, ya que permite a los científicos visualizar estructuras moleculares con un nivel de detalle sin precedentes y podría revolucionar el descubrimiento de fármacos, la investigación biomolecular y la ciencia de materiales. Los experimentos futuros se centrarán en la integración de estas técnicas láser con las imágenes XFEL para lograr una resolución subnanométrica que acerque a los investigadores a la visualización en tiempo real de la dinámica molecular.
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