UNA PROTEÍNA, CAPTURADA EN PLENO VUELO POR UN DESTELLO DE RAYOS X

Para ver cómo funciona una proteína, a los biólogos les gustaría observarla mientras cambia de forma. Eso supone ver una sola molécula desde muchos ángulos, con una radiación de longitud de onda muy corta. El problema es que los electrones y los rayos X, las únicas sondas lo bastante potentes, también dañan la molécula que están fotografiando. La criomicroscopía electrónica lo esquiva congelando miles de moléculas en hielo y promediando muchas imágenes ruidosas.

Los rayos X depositan unas mil veces más energía por evento de dispersión que los electrones. Pero hay una escapatoria, conocida como “difracción antes de la destrucción”: con un pulso de un láser de electrones libres de rayos X que dura solo unos femtosegundos, el patrón de luz dispersada se registra antes de que la molécula tenga tiempo de desintegrarse. La molécula no necesita congelarse ni ningún soporte: puede capturarse en pleno vuelo. Hasta ahora, esto había funcionado con virus grandes. Una sola proteína, fotografiada en 3D con rayos X duros, seguía fuera de alcance.

Sangre de lombriz en el vacío

Un gran equipo internacional dirigido por Paul Lourdu Xavier y Henry Chapman en DESY, en Hamburgo, junto con el European XFEL y decenas de instituciones de todo el mundo, eligió la eritrocruorina: una hemoglobina gigante, purificada a partir de la sangre de un centenar de lombrices. Pesa 3,6 megadaltons y tiene una forma muy simétrica, dos anillos apilados con un agujero en el centro.

Las proteínas se pulverizaron en gotitas finas, se neutralizaron y se enfocaron en un haz estrecho que atravesaba una cámara de vacío a unos 100 metros por segundo. Se añadió helio para reducir el brillo de fondo del gas residual. A través de este haz se dispararon pulsos del European XFEL, en Schenefeld (Alemania): fotones de rayos X de 6 kiloelectronvoltios, concentrados en un punto de 180 por 220 nanómetros, con una duración de unos 25 femtosegundos por pulso.

Cada destello ioniza alrededor de tres cuartas partes de los átomos de la molécula, pero termina antes de que la explosión resultante tenga tiempo de difuminar la imagen.

270 millones de fotogramas para una forma

• En 21 horas, el detector registró 270 millones de fotogramas.
• Solo 188.557 de ellos, un 0,07 %, contenían un patrón de difracción, en su mayoría de una sola proteína.
• Los 50.000 mejores se clasificaron en 144 grupos de ángulos de visión similares, lo que dio imágenes de proyección planas con una resolución de unos 15 ángstroms.
• A partir de 26.908 patrones seleccionados, el equipo reconstruyó la difracción en tres dimensiones y luego conservó los 1.248 más limpios para calcular un mapa 3D de los electrones de la proteína a unos 20 ángstroms. Muestra el agujero central y la simetría de orden seis que se espera de la estructura conocida.

Una proteína que se encoge en vuelo

Todas las reconstrucciones 3D resultaron más compactas que la estructura cristalina conocida, sobre todo a lo largo del eje corto. El equipo lo atribuyó al propio vacío: fuera del agua, la proteína se contrae. Las simulaciones por ordenador de la molécula completa coinciden: se encoge un 2,5 % en su primer nanosegundo y después más despacio. Esta variación entre moléculas es probablemente la razón de que la imagen 3D sea más borrosa que las 2D.

Los autores enumeran los siguientes pasos: proteger las proteínas de este colapso, con gotas más pequeñas, un trayecto más corto o una congelación ultrarrápida, o bien transportándolas en una lámina líquida ultrafina; y pulsos de rayos X más estables, más cortos y más potentes. Las simulaciones muestran que el daño por radiación importará más a medida que las imágenes ganen nitidez.

Hacia películas de moléculas individuales

Veinte ángstroms está lejos de permitir ver átomos. Pero los autores lo describen como un objetivo perseguido durante casi tres décadas: una sola proteína aislada, fotografiada en tres dimensiones con rayos X duros, sin cristales ni congelación. La promesa que hay más allá es el tiempo: activar una proteína y capturarla en pleno movimiento, destello a destello.