Hai mai avuto una foto altrimenti perfetta rovinata da qualcuno che si è mosso troppo velocemente e ha causato una sfocatura? Gli scienziati hanno lo stesso problema durante la registrazione di immagini di proteine che cambiano la loro struttura in risposta alla luce. Questo processo è comune in natura, quindi per anni i ricercatori hanno cercato di catturarne i dettagli. Ma sono stati a lungo ostacolati dalla velocità con cui accade.
Ora un team di ricercatori dell’Università del Wisconsin Milwaukee e del Center for Free-Electron Laser Science presso il Deutsches Elektronen-Synchrotron in Germania hanno combinato l’apprendimento automatico e i calcoli della meccanica quantistica per ottenere la registrazione più precisa dei cambiamenti strutturali in un giallo fotoattivo proteina (PYP) che è stata eccitata dalla luce. Il loro studio, pubblicato a novembre su Nature , ha dimostrato di essere in grado di realizzare filmati di processi che si verificano in quadrilionesimi di secondo.
Quando PYP assorbe la luce, assorbe la sua energia, quindi si riorganizza. Perché la funzione della proteina all’interno della cellula è determinata dalla sua struttura, ogni volta che PYP si piega o si piega dopo essere stato illuminato, questo innesca enormi cambiamenti. Un importante esempio di proteine che interagiscono con la luce è nelle piante durante la fotosintesi, afferma Abbas Ourmazd, fisico dell’UWM e coautore dello studio. Più specificamente, il PYP è simile alle proteine dei nostri occhi che ci aiutano a vedere di notte, quando una proteina chiamata retina cambia forma, attivando alcune delle nostre cellule fotorecettrici, spiega Petra Fromme, direttrice del Biodesign Center for Applied Structural Discovery presso l’Arizona State University. , che non era coinvolto nello studio. Il cambiamento di forma del PYP aiuta anche alcuni batteri a rilevare la luce blu che potrebbe essere dannosa per il loro DNA in modo che possano allontanarsene, osserva Fromme.
I dettagli di questo importante cambiamento di forma molecolare indotto dalla luce, chiamato isomerizzazione, sono sfuggiti agli scienziati per anni. “Quando guardi qualsiasi libro di testo, si dice sempre che questa isomerizzazione è istantanea dopo l’eccitazione della luce”, afferma Fromme. Ma, per gli scienziati, “un istante” non è non quantificabile: i cambiamenti nella struttura della proteina avvengono in un lasso di tempo notevolmente breve noto come femtosecondo, o quadrilionesimo di secondo. Un secondo sta a un femtosecondo come 32 milioni di anni sta a un secondo, dice Fromme.
Gli scienziati sondano sperimentalmente questi tempi incredibilmente brevi con lampi di raggi X altrettanto brevi. Il nuovo studio ha utilizzato i dati ottenuti in questo modo da un team guidato dal fisico UWM Marius Schmidt in una struttura speciale presso lo SLAC National Accelerator Laboratory in California. Qui, i ricercatori hanno prima illuminato PYP con la luce. Poi l’hanno colpito con una raffica di raggi X ultracorta.
I raggi X che rimbalzavano sulla proteina, chiamati raggi X diffratti, riflettevano la sua struttura più recente nello stesso modo in cui la luce riflessa dagli oggetti aiuta a realizzare fotografie convenzionali. La brevità degli impulsi ha permesso agli scienziati di ottenere qualcosa come un’istantanea delle posizioni di tutti gli atomi della proteina mentre si muovevano, in modo simile al modo in cui una fotocamera con un otturatore molto veloce può catturare le diverse posizioni delle gambe di un ghepardo mentre corre.
Ma anche i lampi di raggi X più brevi in genere non hanno prodotto un “otturatore” abbastanza veloce da ottenere una registrazione femtosecondo per femtosecondo del cambiamento di forma di una proteina. “Un grosso problema nell’analisi dei segnali di diffrazione è che la sorgente di raggi X è rumorosa”, afferma Shaul Mukamel, un chimico dell’Università della California, a Irvine, che non ha preso parte allo studio. In altre parole, i raggi X lampeggiano sempre porta almeno a un po’ di sfocatura. Immagina la proteina come un contorsionista che si piega in un pretzel. Usando i raggi X, gli scienziati possono ottenere un’immagine chiara della sua posa rilassata subito dopo aver assorbito l’energia luminosa che stimola la contorsione e del suo intrecciarsi arti alla fine. Ma qualsiasi immagine dei suoi movimenti intermedi sarebbe sfocata.
Tuttavia, aggiunge Mukamel, gli esperimenti a raggi X come quello analizzato nel nuovo studio tendono a raccogliere enormi set di dati. I chimici come lui cercano sempre di innovare i modi per portare alla luce nuove informazioni da loro, dice. Nel nuovo studio, l’uso dell’intelligenza artificiale per analizzare i dati è stato fondamentale.
Il team di Ourmazd nel Wisconsin, guidato dal ricercatore Ahmad Hosseinizadeh, ha utilizzato un algoritmo di apprendimento automatico per estrarre informazioni di precisione senza precedenti dai dati sperimentali di diffrazione dei raggi X. Ourmazd paragona il loro metodo a un’innovazione nel prendere una scansione tridimensionale della testa di una persona. “Normalmente, cosa succede se vuoi un’immagine 3D della testa di qualcuno, lo fai sedere, lo fai stare fermo e scatti molte foto”, dice. Ma l’algoritmo del suo gruppo fa qualcosa di più come scattare una serie di foto da diverse angolazioni e in momenti diversi mentre la persona ripete lo stesso movimento, come girare leggermente la testa. Quindi l’IA estrae l’immagine 3D completa da questo gruppo di istantanee e apprende come dovrebbe essere l’intero movimento, creando una sorta di “filmato” animato. “Utilizzando l’intelligenza artificiale in ogni momento, ricostruiremmo un’immagine tridimensionale della testa. Avremmo avuto un film in 3D in funzione del tempo”, afferma Ourmazd.
Nell’esperimento PYP, l’algoritmo di apprendimento automatico ha ricevuto dati da più proteine quasi identiche che erano state visualizzate in sequenza. (I ricercatori non possono riutilizzare la stessa proteina, perché viene danneggiata dai raggi X.) L’intelligenza artificiale ha estratto i dettagli del processo senza la sfocatura dei lampi a raggi X e ha scoperto ciò che la sfocatura aveva oscurato. Sorprendentemente, queste immagini hanno mostrato come gli elettroni all’interno della proteina si muovono all’interno di frame distanti solo femtosecondi. Questi filmati, che in seguito il team ha rallentato abbastanza da consentire all’occhio umano di seguire il cambiamento, mostrano gli elettroni che si spostano da una parte all’altra della proteina. Il loro movimento all’interno della molecola indica come l’intera cosa sta cambiando la sua struttura. “Se il mio pollice si muove, allora gli elettroni al suo interno devono muoversi con esso”, offre Ourmazd come confronto.
La reazione della proteina alla luce non è mai stata osservata prima con incrementi di tempo così piccoli. “Ci sono molte più informazioni nei set di dati di quanto la gente generalmente pensi”, afferma Ourmazd.
Per comprendere meglio i movimenti degli elettroni, il team del Wisconsin ha lavorato con i fisici del Deutsches Elektronen-Synchrotron che hanno eseguito simulazioni teoriche della reazione della proteina alla luce. Gli elettroni e gli atomi all’interno della proteina devono muoversi secondo le leggi della meccanica quantistica, che agiscono come un libro di regole. Il confronto dei loro risultati con una simulazione basata su tali regole ha aiutato il team a capire quale delle mosse consentite stava eseguendo la proteina. Questo li ha portati più vicini alla comprensione del motivo per cui hanno visto i movimenti che hanno fatto.
L’unione della teoria quantistica e dell’intelligenza artificiale incapsulata nel nuovo lavoro è promettente per la ricerca futura sulle molecole sensibili alla luce, afferma Fromme. Sottolinea che un approccio di apprendimento automatico può estrarre molte informazioni dettagliate da dati sperimentali apparentemente limitati, il che potrebbe significare che gli esperimenti futuri potrebbero consistere in meno giorni lunghi che fanno la stessa cosa più e più volte in laboratorio. Mukamel è d’accordo: “Questo è uno sviluppo molto gradito che offre un nuovo percorso per l’analisi delle misurazioni di diffrazione ultraveloci”.
Il coautore Robin Santra, fisico presso il Deutsches Elektronen-Synchrotron e l’Università di Amburgo, ritiene che il nuovo approccio del team potrebbe cambiare il pensiero degli scienziati sull’integrazione dell’analisi dei dati nel loro lavoro. “La combinazione di moderne tecniche sperimentali con idee di fisica teorica e matematica è una strada promettente verso ulteriori progressi. A volte, questo potrebbe richiedere agli scienziati di lasciare la loro zona di comfort”, afferma.
Ma alcuni chimici vorrebbero vedere il nuovo approccio esaminato ancora più in dettaglio. Massimo Olivucci, un chimico della Bowling Green State University, sottolinea che la risposta del PYP alla luce include qualcosa come una singolarità nel suo spettro energetico, un punto in cui le equazioni matematiche per il calcolo dell’energia della proteina “si rompono”. Questo tipo di evento è importante per un chimico quantistico quanto un buco nero lo è per un astrofisico, perché è un altro caso in cui le leggi della fisica, come le intendiamo oggi, non riescono a dirci esattamente cosa sta succedendo.
Secondo Olivucci, molti processi fondamentali in chimica e fisica molecolare coinvolgono queste caratteristiche di “rottura delle regole”. Quindi, comprendere i minimi dettagli di ciò che fa una molecola quando le leggi della fisica non possono offrire chiarezza è davvero importante per gli scienziati. Olivucci spera che il lavoro futuro con l’algoritmo di apprendimento automatico del nuovo studio confronterà i suoi “film” con simulazioni teoriche che contengono dettagli atomistici, libri di regole che specificano cosa può e non può fare ogni singolo atomo nella proteina. Ciò potrebbe aiutare i chimici a determinare i motivi fondamentali per cui alcune delle parti più piccole di PYP eseguono alcune delle sue mosse più veloci.
Ourmazd osserva inoltre che l’approccio del suo team potrebbe aiutare a scoprire ancora di più sulla risposta di PYP alla luce. Vorrebbe usare l’algoritmo per osservare cosa succede leggermente prima che la proteina assorba la luce, prima che “sa” che sta per iniziare a contorcersi, piuttosto che immediatamente dopo l’assorbimento, quando è bloccata nel movimento. Inoltre, egli osserva, invece di utilizzare lampi di raggi X, gli scienziati potrebbero gettare ultraveloce elettroni alla proteina, quindi registrare il loro rimbalzare a produrre ancora più istantanee a grana fine che l’IA potrebbe analizzare per ottenere un ancora più un’animazione dettagliata della processi.
Ourmazd vorrebbe anche affrontare l’astrofisica e l’astronomia, due campi in cui gli scienziati hanno a lungo preso immagini di un universo in cambiamento e da cui un’intelligenza artificiale potrebbe estrarre dati utili, anche se non ha ancora in mente un esperimento specifico. “Il mondo è la nostra ostrica, in una certa misura”, dice. “La domanda è: quali sono le domande più importanti da porre e realisticamente aspettarsi di rispondere?”