Forskere kortlægger proteinbevægelser

Cornell strukturbiologer tog en ny tilgang til at bruge en klassisk metode til røntgenanalyse til at indfange noget, den konventionelle metode aldrig havde taget højde for:den kollektive bevægelse af proteiner. Og de gjorde det ved at oprette software til omhyggeligt at sammensætte de rester af data, der normalt ignoreres i processen.

Deres papir, "Diffus røntgenstråling fra korrelerede bevægelser i en proteinkrystal, "udgivet 9. marts i Naturkommunikation .

Som strukturbiolog, Nozomi Ando, FRK. '04, Ph.d. '08, adjunkt i kemi og kemisk biologi, er interesseret i at kortlægge proteiners bevægelse, og deres indre dele, for bedre at forstå proteinfunktionen. Denne type bevægelse er velkendt, men har været vanskelig at dokumentere, fordi standardteknikken til billeddannelse af proteiner er røntgenkrystallografi, som producerer hovedsageligt statiske snapshots.

"Fordi vi studerer virkelig udfordrende biologiske systemer, gruppen skal ofte også være banebrydende for nye strukturelle metoder, "sagde postdoktor Steve Meisburger, Ph.d. '14, papirets hovedforfatter. "Et af de spørgsmål, som vi har været interesseret i siden begyndelsen, er, hvordan et proteins subtile vejrtrækningsbevægelser dirigerer biokemisk funktion."

Forskerne bragte deres projekt til Cornell High Energy Synchrotron Source (CHESS), hvor de udnyttede facilitetens Pilatus 6M pixel-array detektor, hvilket gjorde dem i stand til at lave billeder i meget høj opløsning.

Til dette arbejde, som ved almindelig krystallografi, Røntgenstråler blev strålet ved en prøvekrystal. Pixel-array-detektoren registrerede intensiteten af ​​de røntgenstråler, der blev diffrakteret af krystallens proteiner, dermed kodning af atomstrukturen. Enhver lidelse - dvs. bevægelse - inde i krystallen fik flere fotoner til at hoppe ud, skaber et meget svagt baggrundsignal kaldet diffus spredning. Disse oplysninger er traditionelt blevet kasseret under databehandlingen.

"Fotonerne går overalt, og signalet virker ekstremt svagt, fordi det er spredt, "sagde Ando, papirets seniorforfatter. "I årtier, folk kunne ikke måle det præcist, og de vidste ikke, hvordan de skulle fortolke det. "

Meisburger skabte software til at behandle de cirka 50 millioner unikke datapunkter, hvilket resulterer i et tredimensionelt kort i høj kvalitet. Meget til forskernes overraskelse, kortet afslørede, at en væsentlig komponent i dette diffuse spredningsmønster faktisk var et resultat af, at proteingitteret vibrerede. Denne gribende bevægelse var så dominerende, det syntes at skjule enhver bevægelse inde i proteinerne, hvilket i første omgang var en skuffelse for forskerne.

Men efter at have taget højde for disse gittervibrationer i simuleringer, forskerne identificerede også interne proteinbevægelser. Disse bevægelser omfattede åbning og lukning af proteinets aktive sted.

"Forestil dig, at krystallen er som en række mennesker, der forsøger at gå sammen, mens de holder hænder, men samtidig, hver enkelt gør måske noget lidt anderledes, "Sagde Ando." Signalet fra alle, der bevæger sig sammen, er dominerende, så vi kunne ikke skelne det subtile signal, der kom fra individerne. Det var noget, der aldrig var taget højde for. "

Denne nye tilgang til diffus spredning kan hjælpe forskere med at få et klarere billede af proteinstruktur og dynamik og, ultimativt, en bedre forståelse af biokemiske reaktioner.

"Vi vil virkelig skubbe dette i en retning, hvor mange mennesker kan bruge teknikken og lære noget nyt om deres protein, "Meisburger sagde." En stor ting ved det er, at du får diffus spredning gratis, når som helst du laver et almindeligt krystallografiforsøg. Denne teknik tilføjer virkelig information til, hvad du normalt ville få. "