Design af et krystalliseringskammer

Marialucia Longo og Tobias Schrader ved Jülich Center for Neutron Science (JCNS) baseret på FRM II i Garching, Tyskland har designet og testet et krystallisationskammer til at dyrke store proteinkrystaller.

Kammeret består af to runde holdere i rustfrit stål, der indeholder Peltier varmeelementer, at kontrollere temperaturforholdene, og et glasvindue for at tillade krystalvækst at blive overvåget. Det cirkulære design letter en jævn temperaturfordeling for forhåbentlig at give ensartet temperaturkontrol i alle retninger.

Mellem indehaverne, en teflon "spacer" er placeret, der danner selve krystallisationskammeret, hvor al handling finder sted. Spacermodulet er udskifteligt for at tillade forskellige konfigurationer og give et udvalg af krystallisationsmetoder (i øjeblikket dampdiffusion og batchkrystallisationsafstandsstykker er tilgængelige). Udover at have et rum, hvor krystallen kan vokse i, disse afstandsstykker har også rørindløb og -udløb til transport af proteinopløsninger ind og ud. Afstandsstykkerne blev designet og 3-D printet med hjælp fra ingeniører ved Forschungszentrum Jülich i det vestlige Tyskland.

Post-doc forsker Marialucia Longo arbejdede på design og produktion af apparatet i over et år, med eksperthjælp fra Neils Lumma hos Jülich. Det er nu i testfasen. Longo startede med hønseæggehvide lysoyzme, da det er et velkendt protein og danner store krystaller hurtigt og nemt. Andre potentielle kandidater er thermolysin og streptavidin, som hidtil, store krystaller af disse har været undvigende. Streptavidin ville være et særligt interessant molekyle at studere med neutroner, da der ikke er meget kendt om hydrogenbindingerne til biotinliganden i strukturen. At lave en krystal stor nok til at studere med neutronteknikker kunne kaste lys over dette.

Imidlertid, Longo står over for mange forhindringer og har stadig masser af problemer at løse. Ikke mindst fordi, med baggrund i DNA og uelastisk spredning, hun har først måttet lære om proteiner og elastisk spredning.

Så har der været problemer i selve apparatet:, inklusive uønskede bobler i kammeret, utilstrækkelig ydeevne af tætningen og upålidelig temperaturkontrol. Særligt frustrerende er de brugeruvenlige varmeelementer. Det har vist sig tidskrævende og vanskeligt at justere temperaturen ved hjælp af drejeknapper og vente to minutter på, at temperaturregulatoren genoptager normal drift. Det forventes, at en computerforbindelse til temperaturregulatoren kan gøre det muligt at sænke temperaturen gradvist, f.eks. en grad om dagen. Det kræver udvikling, men kunne hjælpe søgen efter at vokse større krystaller.

Ultimativt, holdets ambition er at bruge dette apparat til at producere krystaller til brug på instrumentet BIODIFF, et sofistikeret instrument, der ideelt set kræver et krystalvolumen på mindst 0,1 mm3. BIODIFF er et monokromatisk enkeltkrystaldiffraktometer - et fælles projekt af FRM II (TUM) og JCNS (Forschungszentrum Jülich) drevet af Tobias Schrader og Andreas Ostermann, som også har været en stor hjælp på dette projekt.

Indtil nu, de største krystaller, de har dyrket, er 0,2 mm ³ under anvendelse af modelproteinet lysozym. Da SINE2020 når sin afslutning, dette projekt vil fortsætte med ekstra finansiering fra Forschungszentrum Jülich.