Un algoritmo per film proteici più nitidi

Le proteine sono molecole biologiche che svolgono quasi tutti i compiti biochimici in tutte le forme di vita. In questo processo, le minuscole strutture compiono movimenti ultraveloci. Per poter studiare con maggiore precisione questi processi dinamici in futuro, i ricercatori hanno sviluppato un nuovo algoritmo di valutazione con il quale è possibile valutare in modo più efficiente le misure effettuate con laser a elettroni liberi a raggi X come lo SwissFEL. Lo hanno presentato sulla rivista Structural Dynamics.

A volte, quando si utilizza il sistema di navigazione durante la guida, il dispositivo individua l’utente fuori strada per un breve periodo. Ciò è dovuto all’imprecisione del posizionamento GPS, che è di diversi metri. Tuttavia, l’algoritmo del sistema di navigazione se ne accorge subito e corregge la corsia visualizzata sullo schermo, cioè localizza nuovamente il veicolo sulla strada.

Un principio analogo per il riconoscimento di sequenze di movimento non realistiche è stato ora applicato con successo da un gruppo di ricercatori guidati dalla fisica del PSI Cecilia Casadei. Tuttavia, i loro oggetti di indagine sono circa un miliardo di volte più piccoli di un’autovettura: sono le proteine. Questi elementi costitutivi della vita svolgono funzioni cruciali in tutti gli organismi conosciuti. Nel processo, spesso compiono movimenti ultraveloci. Studiarle in dettaglio è fondamentale per comprendere meglio le proteine, il che può contribuire allo sviluppo di nuovi agenti medici, ad esempio.

Come "filmare" le proteine...

Per comprendere meglio i movimenti delle proteine in futuro, Casadei ha sviluppato un algoritmo migliorato insieme ad altri ricercatori del PSI, a un ricercatore del DESY di Amburgo e ad altri colleghi dell’Università del Wisconsin a Milwaukee, negli Stati Uniti. Questo algoritmo valuta i dati ottenuti in esperimenti con un laser a elettroni liberi a raggi X (XFEL). Un XFEL è un impianto di ricerca su larga scala che eroga lampi estremamente intensi e brevi di luce a raggi X di qualità laser. In questo caso, per misurare i movimenti ultrarapidi delle proteine si può utilizzare un metodo chiamato cristallografia seriale a femtosecondi risolta nel tempo (TR-SFX).

Queste misurazioni sono complesse per diversi motivi: le proteine sono troppo piccole per poter essere fotografate direttamente; le loro sequenze di movimento sono enormemente veloci; inoltre, l’intenso impulso di luce a raggi X di un XFEL distrugge completamente le proteine. A livello sperimentale, TR-SFX risolve già tutti questi problemi: non si misurano singole molecole, ma si lascia che un gran numero di molecole proteiche simili crescano insieme in una disposizione regolare per formare cristalli di proteine. Quando la luce a raggi X dell’XFEL illumina questi cristalli, le informazioni vengono catturate in tempo prima che i cristalli e le loro proteine vengano distrutti dall’impulso luminoso. I dati di misurazione grezzi sono quindi disponibili come cosiddette immagini di diffrazione: Punti di luce creati dalla disposizione regolare delle proteine nel cristallo e registrati da un rilevatore.

... e come valutare i dati di misura

Se le sfide sperimentali sono state superate, la valutazione dei dati è appena iniziata. "La misurazione di ogni singolo cristallo fornisce solo il due per cento dei dati di un’immagine completa". Questa cosiddetta incompletezza ha ragioni fisiche e sperimentali e può essere eliminata solo combinando i dati di misura di molti cristalli in modo significativo. Il modo esatto in cui ciò avviene è l’oggetto della ricerca di Casadei.

Il metodo stabilito finora si chiama "binning e merging". "Nell’ultimo decennio sono stati raggiunti molti risultati con questo metodo", afferma Casadei. Con questo metodo, i dati vengono suddivisi in periodi di tempo e tutti i dati all’interno di un periodo vengono mediati. Tuttavia, la media perde molte informazioni dettagliate. "Si potrebbe dire che le singole immagini del film proteico sono un po’ sbiadite", continua Casadei. "Abbiamo quindi sviluppato un metodo che ci permette di ottenere di più dai dati di misura".

Il nuovo metodo ideato da Casadei e dai suoi colleghi si chiama "analisi spettrale passa-basso", o in breve LPSA. "Come nell’elettronica o nell’ingegneria audio, applichiamo un filtro passa-basso", spiega Casadei. "Nel nostro caso, però, si tratta di una sofisticata algebra lineare. Applichiamo queste formule per rimuovere il rumore indesiderato dai dati senza perdere i dettagli rilevanti".

In termini brevi e semplici: i dati grezzi, cioè le immagini di diffrazione dei cristalli di proteina, sono tracciati sull’intero movimento della proteina. Si presume che questo movimento sia regolare, cioè privo di scosse. Analogamente al modo in cui il sistema di navigazione si corregge quando l’auto esce presumibilmente dal tracciato della strada, il nuovo algoritmo di Casadei e colleghi riduce gli errori nella ricostruzione del movimento delle proteine.

HDR per film proteici

I non addetti ai lavori potrebbero non notare un’enorme differenza nelle nuove pellicole proteiche. Ma per i cineasti dei laser a elettroni liberi a raggi X, il miglioramento è paragonabile al passaggio da una pellicola DVD alla qualità HDR.

"Soprattutto, il nuovo algoritmo significa che i ricercatori dello SwissFEL del PSI possono ora ottenere più informazioni dai loro dati", afferma Casadei. In compenso, questo significa che l’algoritmo può contribuire a ridurre i tempi di misura. Poiché il tempo per il fascio di luce è sempre scarso nelle grandi strutture di ricerca in generale e nello SwissFEL in particolare, questa è una prospettiva molto gradita ai ricercatori di proteine che utilizzano questa struttura all’avanguardia.

Istituto Paul Scherrer/Laura Hennemann