Røntgenlaserundersøgelse identificerer krystallinsk mellemprodukt i vores vej til vejrtrækning

For første gang, forskere fra ASU's School of Molecular Sciences i samarbejde med kolleger fra Albert Einstein College of Medicine i New York City har fanget øjebliksbilleder af krystalstrukturer af mellemprodukter i den biokemiske vej, der gør os i stand til at trække vejret.

Udgivet i dag i Procedurer fra National Academy of Sciences —Snapshot af et ilt -mellemprodukt i den katalytiske reaktion af cytokrom c -oxidase - deres resultater giver vigtig indsigt i det sidste trin i aerob respiration.

"Det kræver et team at gennemføre et så sofistikeret eksperiment, "forklarer SMS's lektor Alexandra Ros, der sammen med sin kandidatstuderende Austin Echelmeier og tidligere praktikant Gerrit Brehm, udviklet den hydrodynamiske fokuseringsblander, der gjorde disse eksperimenter mulige.

Blanderen er en mikrofluid enhed, som er i høj opløsning, 3D-trykt og gør det muligt for to strømme af iltmættet buffer at blande perfekt med en central strøm indeholdende bovint cytokrom c oxidase (bCcO) mikrokrystaller. Dette starter en katalytisk reaktion mellem oxygenet og mikrokrystallerne.

I begyndelsen

Denne forskning blev indledt af en samtale mellem SMS -professor Petra Fromme, direktør for Biodesign Instituts Center for Applied Structural Discovery (CASD), Raimund Fromme, SMS lektor i forskning, og professor Denis Rousseau fra Albert Einstein College of Medicine i New York City, der arbejder med strukturen af ​​cytochrom c oxidase, et centralt enzym involveret i aerob respiration.

Cytochrom c oxidase (CcO) er det sidste enzym i respiratoriske elektrontransportkæder af celler placeret i mitokondriemembranen. Den modtager en elektron fra hvert af fire cytokrom c -molekyler, og overfører dem til et iltmolekyle (to atomer), omdanner det molekylære ilt til to molekyler vand.

Forskere ved CASD, herunder ASUs Richard Snell -professor i fysik, John Spence, hjalp til med at banebrydende en ny teknik kaldet tidsopløst seriel femtosekund (milliontedel af en milliarddel af et sekund) krystallografi (TR-SFX). Denne teknik udnytter en røntgenfri elektronlaser (XFEL) ved Department of Energy's (DOE) SLAC National Accelerator Laboratory, Stanford.

SFX er en lovende teknik til bestemmelse af proteinstruktur, hvor en flydende strøm indeholdende proteinkrystaller skæres med en højintensitets XFEL-stråle, der er en milliard gange lysere end traditionelle synkrotronrøntgenkilder.

Mens krystallerne diffrakterer og umiddelbart efter ødelægges af den intense XFEL -stråle, de resulterende diffraktionsmønstre kan registreres med state-of-the-art detektorer. Der er udviklet kraftfulde nye dataanalysemetoder, giver et team mulighed for at analysere disse diffraktionsmønstre og få elektronetæthedskort og detaljerede strukturelle oplysninger om proteiner.

Metoden er specifikt tiltalende for svært at krystallisere proteiner, såsom membranproteiner, da det giver strukturoplysninger i høj opløsning fra små mikro- eller nanokrystaller, dermed reduceres bidraget fra krystaldefekter og undgå kedelig (hvis ikke umulig) vækst af store krystaller, som det kræves i traditionel synkrotronbaseret krystallografi.

Denne nye "diffraktion før ødelæggelse" -metode har åbnet nye muligheder for strukturel bestemmelse af skrøbelige biomolekyler under fysiologisk relevante forhold (ved stuetemperatur og i fravær af kryobeskyttelsesmidler) og uden strålingsskader.

CcO reducerer ilt til vand og udnytter den kemiske energi til at drive proton (positivt ladet brintatom) flytning hen over den indre mitokondriemembran ved en tidligere uløst mekanisme.

Sammenfattende, TR-SFX undersøgelserne har muliggjort strukturel bestemmelse af et centralt iltmellemprodukt af bCcO. Resultaterne af teamets eksperimenter giver ny indsigt i mekanismen for protonflytning i koenzymet i forhold til den i bakterielle CcO'er, og baner vej for bestemmelse af strukturer for andre CcO -mellemprodukter, samt forbigående arter dannet i andre enzymreaktioner.