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As proteínas são moléculas biológicas que realizam quase todas as tarefas bioquímicas em todas as formas de vida. Ao fazer isso, as minúsculas estruturas realizam movimentos ultrarrápidos. A fim de investigar esses processos dinâmicos com mais precisão do que antes, os pesquisadores desenvolveram um novo algoritmo que pode ser usado para avaliar medições em lasers de elétrons livres de raios-X, como o SwissFEL, com mais eficiência. Eles já o apresentaram na revista Dinâmica Estrutural.
Às vezes, ao usar o sistema de navegação durante uma viagem de carro, o dispositivo o localizará fora da estrada por um curto período de tempo. Isso se deve à imprecisão do posicionamento do GPS, que pode chegar a vários metros. No entanto, o algoritmo do navegador por satélite logo perceberá isso e corrigirá a trajetória exibida na tela, ou seja, o colocará de volta na estrada.
Um princípio comparável para lidar com sequências de movimento irrealistas agora foi aplicado com sucesso por uma equipe de pesquisadores liderada pela física da PSI, Cecilia Casadei. No entanto, seus objetos de investigação são cerca de um bilhão de vezes menores que um carro: as proteínas. Esses blocos de construção da vida cumprem funções cruciais em todos os organismos conhecidos. Ao fazer isso, eles costumam realizar movimentos ultrarrápidos. Analisar esses movimentos com precisão é crucial para nossa compreensão de proteínas que podem nos ajudar a produzir novos agentes médicos, entre outras coisas.
Como “filmar” proteínas…
Para melhorar ainda mais a compreensão dos movimentos de proteínas, Casadei, juntamente com outros pesquisadores do PSI, um pesquisador do DESY em Hamburgo e outros colegas da Universidade de Wisconsin em Milwaukee, EUA, desenvolveu um algoritmo que avalia dados obtidos em experimentos em um X- laser de elétrons livres de raios (XFEL). Um XFEL é uma instalação de pesquisa em grande escala que fornece flashes extremamente intensos e curtos de luz de raios X com qualidade de laser. Aqui, um método chamado cristalografia de raios-X de femtossegundo serial resolvida no tempo (TR-SFX) pode ser usado para estudar os movimentos ultrarrápidos das proteínas.
As medições são muito complexas por vários motivos: as proteínas são muito pequenas para serem visualizadas diretamente, seus movimentos são incrivelmente rápidos e o intenso pulso de raios X de um FEL destrói completamente as proteínas. No nível experimental, o TR-SFX já resolve todos esses problemas: nenhuma molécula individual é medida, mas um grande número de moléculas de proteína idênticas são induzidas a crescer juntas em um arranjo regular para formar cristais de proteína. Quando a luz do raio-X FEL incide sobre esses cristais, a informação é capturada a tempo antes que os cristais e suas proteínas sejam destruídos pelo pulso de luz. Os dados brutos das medições estão disponíveis nas chamadas imagens de difração: pontos de luz criados pelo arranjo regular das proteínas no cristal e registrados por um detector.
… e como avaliar os dados de medição
Onde os desafios experimentais foram superados, a avaliação dos dados está apenas começando. “A medição de cada cristal individual fornece apenas dois por cento dos dados de uma imagem completa.” Essa incompletude tem razões físicas e experimentais e só pode ser eliminada combinando os dados de medição de muitos cristais de maneira significativa. A pesquisa de Casadei se concentra exatamente em como fazer isso.
O método estabelecido até agora é chamado de “binning and merge”. “Muito já foi conquistado com esse método na última década”, diz Casadei. Com esse método, os dados são divididos em intervalos de tempo e é calculada a média de todos os dados dentro de um intervalo, um “bin”. No entanto, muitas informações detalhadas também são perdidas nessa média. “Você poderia dizer que as imagens individuais do filme de proteína são um pouco desbotadas”, continua Casadei. “É por isso que desenvolvemos um método que nos permite obter mais dos dados de medição.”
O novo método desenvolvido por Casadei e seus colegas é chamado de “análise espectral passa-baixa”, ou LPSA, para abreviar. “Semelhante à tecnologia eletrônica ou de áudio, aplicamos um filtro passa-baixo”, explica Casadei. “No entanto, em nosso caso, ele vem na forma de álgebra linear avançada. Aplicamos essas fórmulas para remover o ruído indesejado dos dados sem perder os detalhes relevantes.”
Em termos simples e curtos, os dados brutos, ou seja, as imagens de difração dos cristais de proteína, são rastreados ao longo do movimento da proteína. Este movimento é considerado suave, ou seja, sem solavancos. Semelhante à forma como o sistema de navegação se corrige quando o carro aparentemente sai do curso da estrada, o novo algoritmo de Casadei e seus colegas atenua os erros da reconstrução do movimento da proteína.
HDR para filmes de proteína
Os leigos podem não notar uma diferença imensa nos novos filmes de proteína. Mas para os cineastas em lasers de elétrons livres de raios-X, a melhoria é comparável à mudança de um filme em DVD para a qualidade HDR.
“Acima de tudo, o novo algoritmo agora permite que os pesquisadores aqui no SwissFEL na PSI extraiam mais informações de seus dados”, diz Casadei. Por outro lado, isso significa que o algoritmo pode ajudar a reduzir os longos tempos de medição. Como o tempo de feixe está sempre em alta demanda em instalações de pesquisa de grande escala e, em particular, na SwissFEL, essa é uma perspectiva muito bem-vinda para pesquisadores de proteínas que usam essa instalação altamente avançada.
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