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Jun 06, 2023

より鮮明なタンパク質フィルムを実現するアルゴリズム

Immagine dell'Istituto Paul Scherrer: la fisica Cecilia Cassaday

ポール・シェラー研究所

画像: 物理学者のセシリア・カサデイは、新しい分析アルゴリズムを開発した国際チームの一員でした。 「ローパススペクトル分析」と呼ばれる彼らの方法を使用すると、X線自由電子レーザーでタンパク質を測定するときに収集されたデータを従来よりも効率的に評価できるようになります。もっと見る

クレジット: Paul Scherrer Institute/Mahir Dzambegovic

タンパク質は、あらゆる形態の生命においてほぼすべての生化学的タスクを実行する生体分子です。 そうすることで、小さな構造が超高速の動きを実行します。 これらの動的プロセスを以前よりも正確に調査するために、研究者らは、SwissFEL などの X 線自由電子レーザーでの測定をより効率的に評価するために使用できる新しいアルゴリズムを開発しました。 彼らは現在、それをジャーナル「Structural Dynamics」に発表しました。

車で旅行中にナビゲーション システムを使用すると、デバイスが短時間道路から外れた位置を検出してしまうことがあります。 これは GPS 測位の不正確さが原因であり、最大で数メートルになる場合があります。 ただし、ナビのアルゴリズムはすぐにこれに気づき、画面に表示される軌道を修正します。つまり、道路上に戻します。

非現実的なモーション シーケンスに対処するための同様の原理が、PSI の物理学者 Cecilia Casadei 率いる研究チームによって適用され、成功しました。 しかし、彼らの研究対象は自動車の約10億分の1、つまりタンパク質です。 これらの生命の構成要素は、すべての既知の生物において重要な機能を果たします。 その際、彼らはしばしば超高速の動きを実行します。 これらの動きを正確に分析することは、とりわけ新しい医薬品の生産に役立つタンパク質を理解するために非常に重要です。

タンパク質を「フィルム」にする方法...

タンパク質の動きの理解をさらに進めるために、カサデイは、他の PSI 研究者、ハンブルクの DESY の研究者、および米国ミルウォーキーのウィスコンシン大学の他の同僚とともに、X 実験で得られたデータを評価するアルゴリズムを開発しました。光線自由電子レーザー (XFEL)。 XFEL は、レーザー品質の X 線光の非常に強力で短いフラッシュを提供する大規模な研究施設です。 ここでは、時間分解シリアルフェムト秒 X 線結晶構造解析 (TR-SFX) と呼ばれる方法を使用して、タンパク質の超高速の動きを研究できます。

測定はいくつかの理由から非常に複雑です。タンパク質は直接画像化するには小さすぎること、タンパク質の動きが信じられないほど速いこと、FEL の X 線光の強力なパルスがタンパク質を完全に破壊することです。 実験レベルでは、TR-SFX はこれらすべての問題をすでに解決しています。個々の分子は測定されません。むしろ、多数の同一のタンパク質分子が規則的な配置で一緒に成長してタンパク質結晶を形成するように誘導されます。 FEL X 線光がこれらの結晶に当たると、結晶とそのタンパク質が光のパルスによって破壊される前に情報が捕捉されます。 測定の生データは、いわゆる回折画像として利用できます。これは、結晶内のタンパク質の規則的な配置によって生成され、検出器によって記録される光スポットです。

...そして測定データの評価方法

実験上の課題は克服され、データの評価は始まったばかりです。 「個々の結晶の測定では、完全な画像のデータの 2 パーセントしか得られません。」 この不完全さには物理的および実験的な理由があり、多くの結晶の測定データを意味のある方法で組み合わせることによってのみ除去できます。 カサディの研究は、まさにこれにどう対処するかに焦点を当てています。

これまでに確立された方法は「ビニングとマージ」と呼ばれます。 「過去 10 年間、この方法で多くのことが達成されました」とカサディ氏は言います。 この方法では、データが時間間隔に分割され、1 つの間隔 (「ビン」) 内のすべてのデータが平均されます。 ただし、この平均化では多くの詳細情報も失われます。 「タンパク質フィルムの個々の画像は、すべて少し洗い流されていると言えるでしょう」とカサディ氏は続けます。 「そのため、私たちは測定データからより多くの情報を得ることができる方法を開発しました。」

Casadei とその同僚によって考案された新しい方法は、「ローパス スペクトル分析」、または略して LPSA と呼ばれます。 「エレクトロニクスやオーディオ技術と同様に、ローパスフィルターを適用します」とカサディ氏は説明します。 「しかし、私たちの場合、それは高度な線形代数の形で行われます。私たちはこれらの公式を適用して、関連する詳細を失うことなくデータから不要なノイズを除去します。」

簡単に言うと、生データ、つまりタンパク質結晶の回折画像は、タンパク質の動き全体にわたって追跡されます。 この動きは滑らかである、つまりジャークがないものと想定されます。 車が道路のコースから外れそうになったときにナビゲーション システムが自動的に修正するのと同様に、Casadei 氏とその同僚による新しいアルゴリズムは、タンパク質の動きの再構成のエラーを軽減します。

プロテインフィルムのHDR

一般の人は、新しいタンパク質フィルムの大きな違いに気づかないかもしれません。 しかし、X 線自由電子レーザーのシネマステにとって、この改善は DVD フィルムから HDR 品質に切り替えるのと同等です。

「何よりも、新しいアルゴリズムにより、ここ PSI の SwissFEL の研究者はデータからより多くの情報を抽出できるようになりました」とカサデイ氏は言います。 逆に、これは、アルゴリズムが長い測定時間を短縮するのに役立つことを意味します。 大規模研究施設、特に SwissFEL ではビームタイムの需要が常に高いため、この高度な施設を利用するタンパク質研究者にとって、これは非常に歓迎すべきことです。

文: ポール・シェラー研究所/ローラ・ヘンネマン

PSIについて

ポール シェラー研究所 PSI は、大規模で複雑な研究​​施設を開発、建設、運営し、国内外の研究コミュニティが利用できるようにしています。 同研究所独自の重要な研究優先事項は、物質と材料、エネルギーと環境、人間の健康の分野にあります。 PSI は将来の世代の育成に力を入れています。 したがって、当社のスタッフの約 4 分の 1 は博士研究員、大学院生、または見習いです。 PSI は合計 2,100 人を雇用しており、スイス最大の研究機関です。 年間予算は約4億スイスフランに達する。 PSI は ETH ドメインの一部であり、他のメンバーはスイス連邦工科大学 ETH チューリッヒと EPFL ローザンヌの 2 校、および Eawag (スイス連邦水産科学技術研究所)、Empa (スイス連邦材料科学研究所) です。とテクノロジー）およびWSL（スイス連邦森林・雪・景観研究所）。 焦点を変える PSI の刺激的な研究についての洞察は、出版物 5232 - The Magazine of the Paul Scherrer Institute で年 3 回提供されます。

接触

Dr. Cecilia CasadeiLaboratory of Biomolecular ResearchPaul Scherrer Institute、Forschungsstrasse 111, 5232 Villigen PSI, Switzerland電話: +41 56 310 55 17、電子メール: [email protected] [英語、イタリア語、フランス語]

オリジナル出版物

時間分解シリアルフェムト秒結晶構造データのローパススペクトル解析CM Casadei、A. Hosseinizadeh、T. Weinert、J. Standfuss、R. Fung、GFX Schertler、R. Santra構造力学、2023 年 5 月 26 日 (オンライン)DOI: 10.1063/4.0000178

構造力学

10.1063/4.0000178

実験研究

時間分解シリアルフェムト秒結晶構造データのローパススペクトル解析

2023 年 5 月 26 日

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