Nyt højpræcisionsinstrument muliggør hurtige målinger af proteinkrystaller

Et team af forskere og ingeniører ved US Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory har udviklet et nyt videnskabeligt instrument, der muliggør ultrapræcis og højhastigheds karakterisering af proteinkrystaller ved National Synchrotron Light Source II (NSLS-II)- en DOE Office of Science User Facility i Brookhaven, som genererer røntgenstråler med høj energi, der kan udnyttes til at sondre proteinkrystallerne. Kaldet FastForward MX goniometer, dette avancerede instrument vil øge effektiviteten af ​​proteinkrystallografi betydeligt ved at reducere forsøgstiden fra timer til minutter.

Proteinkrystallografi er en vigtig forskningsteknik, der bruger røntgendiffraktion til afdækning af 3-D-strukturer af proteiner og andre komplekse biologiske molekyler, og forståelse af deres funktion i vores celler. Ved hjælp af denne viden om livets grundlæggende struktur, videnskabsmænd kan fremme lægemiddeldesign, forbedre medicinske behandlinger, og optrevle andre miljømæssige og biokemiske processer, der styrer vores hverdag.

For at denne teknik kan fungere, proteiner skal krystalliseres - og de mest udfordrende proteiner vokser ofte kun til bittesmå mikrokrystaller. For at rekonstruere disse komplekse proteinstrukturer, forskere skal måle røntgendiffraktionsdata fra tusindvis af mikrokrystaller og flette de indsamlede data, en teknik kaldet seriel krystallografi. Disse målinger tager i øjeblikket timer på højt specialiserede og avancerede forskningsinstrumenter ved synkrotron makromolekylær krystallografi strålelinjer at fuldføre. Makromolekylær krystallografistråle kan findes på næsten alle synkrotronstrålingsanlæg i verden og bruge lyskildernes intense røntgenstråler til at karakterisere proteinernes atomstruktur.

"Ved at bruge vores nye ultra-høje hastighed og højpræcision FastForward MX goniometer, vi er i stand til at indsamle serielle krystallografidata så hurtigt, at komplette datasæt nu kan erhverves på få minutter, "sagde Martin Fuchs, hovedforsker ved Frontier Microfocusing Macromolecular Crystallography (FMX) beamline ved NSLS-II. "Vores nye goniometer udnytter NSLS-II's exceptionelle stråleegenskaber fuldt ud, og derfor af de verdensførende lyse røntgenstråler, der er tilgængelige på vores strålelinje. "

Holdet udviklede det nye goniometer specifikt til FMX-strålelinjens en mikrometer størrelse, intens røntgenstråle. FMX giver nu forskere en unik mulighed for at måle røntgendiffraktionsdata fra utroligt små krystaller med meget højere hastigheder end ved nogen anden synkrotron lyskilde.

"Den lille strålestørrelse sammen med vores nye hurtige scanningsteknik giver os mulighed for at bestemme strukturen af ​​biologiske molekyler fra små proteinkrystaller, som tidligere ikke ville have været store nok til at indsamle data fra, " sagde Fuchs.

Goniometeret kan positionere proteinkrystaller med en præcision på 25 nanometer (4, 000 gange mindre end bredden på et menneskehår) og sikrer, at den lille røntgenstråle præcist kan belyse mikrokrystaller til diffraktionsmålinger.

"For at opnå denne præcision og hastighed havde vi brug for at overvinde mange teknologiske udfordringer. F.eks. vi havde brug for at udvikle en måde at flytte krystallen på i disse ekstremt små trin og, på samme tid, måle disse små bevægelser, " sagde Evgeny Nazaretski, en fysiker og specialist i røntgenmikroskopiinstrumentering ved NSLS-II. "Vi var nødt til at kombinere ekspertise fra forskellige områder såsom røntgenmikroskopi og strukturbiologi for at muliggøre denne form for udvikling."

Brookhaven's Laboratory Directed Research and Development-program finansierede den to år lange design- og konstruktionsproces, inklusive alle trin fra konceptuelt design og laboratoriekarakterisering til integration af systemet i det eksperimentelle miljø ved FMX beamline. Yuan Gao, en forskningsassistent i dette projekt, testede goniometeret grundigt i løbet af udviklingen for dets stabilitet og optimale ydeevne og demonstrerede scanningshastigheder på op til 100 Hertz og dataindsamlingshastigheder på 750 billeder/sekund. Et enkelt seriel krystallografi-eksperiment kan kræve hundredtusindvis af billeder af dato.

For at demonstrere ydelsen af ​​det nyudviklede goniometer, holdet brugte det til at karakterisere to velkendte proteiners strukturer, kvæg trypsin og proteinase K, og sammenlignede deres nye rekonstruktioner med den eksisterende viden om disse to proteinstrukturer.

"Vi målte disse to kendte proteiner ved hjælp af FastForward -goniometret på FMX og udviklede en arbejdsgang til databehandling, der automatisk analyserede dataene, da vi indsamlede dem, "sagde Wuxian Shi, en videnskabsmand ved FMX beamline. "Med dette, vi var i stand til at løse strukturerne og vise, at dataene gav strukturer af høj opløsning og høj kvalitet, selv ved de hurtigste indsamlingshastigheder. "

Som et næste trin, holdet arbejder på at muliggøre robotprøveudveksling under eksperimenterne for at øge gennemløbet af FMX-strålelinjen endnu mere. Dette system vil derefter blive gjort tilgængeligt for beamlines generelle brugergrupper, og åbne en vej til strukturbestemmelse fra krystaller, der er mindre end nogensinde før.