Forskere hjælper banebrydende test af seriel krystallografiteknik

Forskere fra Rice University brugte en hurtigt pulserende røntgenlaser til at vise, hvordan lægemiddelresistente tuberkulosebakterier deaktiverer de antibiotiske molekyler, der er beregnet til at behandle den dødelige lungesygdom.

Risbiokemiker George Phillips og kandidatstuderende og medlederforfatter Jose Olmos er en del af National Science Foundation-støttede BioXFEL Center, der fangede de banebrydende proof-of-principal-resultater gennem en teknik kaldet mix-and-inject seriel krystallografi.

For at gøre dette krævede brug af et nyt værktøj, en røntgenfri elektron-laser (XFEL), der lover en seriøs opgradering til den omhyggelige, århundrede gammel proces med karakterisering af molekyler gennem røntgenspektroskopi. Laseren er placeret på Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory ved Stanford University.

At definere molekylære strukturer er nøglen til at forstå, hvordan de fungerer, Sagde Phillips. Den nye opdagelse viser forskernes hurtigt udviklende evne til at tage øjebliksbilleder af dynamiske biologiske processer, når de sker.

Tro mod sit navn, bland-og-injicér teknikken tilfører en smal strøm af krystalliserede molekyler i en opløsning til laseren. Når laseren rammer en krystal med en 20-femtosekund (kvadrilliondel af et sekund) puls, det udsletter krystallen - men ikke før der produceres et diffraktionsmønster på en detektor, der viser molekylets atomstruktur.

I et åbent papir i BMC Biology, forskerne ledet af Marius Schmidt, professor ved University of Wisconsin-Milwaukee, beskrevet blanding af antibiotika ceftriaxon med et resistent enzym, der bruges af bakterier, beta-lactamase, og fodre den med den pulserende laser. Fordi de kunne justere tiden mellem blanding og ankomst til laseren, de fangede diffraktionsmønstre af de krystalliserede molekyler ikke kun i tilfældige orienteringer, men også på flere stadier af interaktion.

"Selvom der har været elegante undersøgelser for at observere proteinbevægelser med lysinducerede ændringer, vores arbejde illustrerer, at en større klasse af proteiner, nemlig enzymer, kan undersøges på en tidsopløst måde ved LCLS (Linac Coherent Light Source) og andre XFEL'er, "Sagde Olmos.

Phillips sagde, at eksperimentet viste, at XFEL var nyttig til at fange diffraktionsmønstre fra krystaller på en milliontedel af en meter på tværs eller mindre, meget mindre end tidligere teknikker. "Dette vil lære os mere om, hvordan naturen har valgt og designet disse molekyler til at fungere, "sagde han." Det er ikke anderledes end at se en cykel blive pedaleret:Du får mere end et statisk billede og en bedre forståelse af, hvordan det fungerer.

"Når som helst du vil konstruere et protein eller genskabe en molekylær maskine, at vide mere om, hvordan de fungerer på et grundlæggende niveau, vil være nyttigt, om det er at nedbryde cellulose til biobrændstoffer eller designe et nyt lægemiddel eller forbedre et eksisterende lægemiddel. "

I sine oplæg, Phillips sammenligner evnen til at tage snapshots af proteiner i aktion med billeder fra 1800-tallet af Eadweard Muybridge, der fangede midstride-bevægelsen af ​​en galoperende hest. (Ved et tilfælde, hesten var ejet af Stanfords grundlægger.)

Forskerne forventer, at den snart opgraderede XFEL i Stanford, en ny facilitet i Europa og andre i værkerne rundt om i verden vil give forskere mulighed for at fange strukturer på få minutter frem for dage og give dem mere detaljerede data om kemiske processer.

Phillips har store forhåbninger om, at de opgraderede værktøjer også vil hjælpe med at fange molekylers strukturer uden først at skulle krystallisere dem.

"Hvis vi kan få røntgenstrålen og baggrunden til at spredes lille nok og aflæsningsstrålen ren nok, så i teorien, i stedet for at parade krystaller, vi kunne parade enkelte molekyler ind i laseren for at opbygge diffraktionsmønstre, " han sagde.

"Stanford -laseren brænder lige nu ved 100 hertz (cyklusser i sekundet), "Sagde Phillips." Den europæiske XFEL affyrer klokken 10, 000 hertz. Det er en ganske opgradering, fordi det giver os mange flere chancer for at ramme molekylerne, når de strømmer ind. "

Han sagde, at centret i sidste ende håber at fange strukturelle data for molekylære reaktioner i farten.

"Det kan være to proteiner, der kommer sammen og lærer at genkende hinanden, det kan være interaktionen mellem en virus og et antistof, det kan være interaktionen mellem et eller andet substrat med et enzym eller noget, du kan gøre ved at blande eller med ekstern stimulering, "Sagde Phillips." Når du kan gøre det, himlen er grænsen. "