沙虫科技网logo.png沙虫科技网

沙虫科技网
提供IT业界的新鲜事、奇趣事和热门焦点,掌控最热最新的互联网新闻、科技新闻和IT业界动态。
沙虫科技网

从微小晶体中解决蛋白质结构的新方法

技术为研究涉及健康和疾病的无数难以结晶的蛋白质打开了大门

利用X射线揭示蛋白质的原子级三维结构已经在理解这些分子如何在细菌,病毒,植物和人类中发挥作用方面取得了无数进展,并指导了精确药物的开发,以对抗诸如癌症和艾滋病。但是许多蛋白质不能生长成足够大的晶体,因为它们的原子排列会被破译。

为了应对这一挑战,美国能源部(DOE)布鲁克海文国家实验室的科学家和哥伦比亚大学的同事已经开发出一种从微小晶体中解决蛋白质结构的新方法。

该方法依赖于独特的样品处​​理,信号提取和数据组装方法,以及能够在布鲁克海文国家同步加速器光源II(NSLS-II) - DOE科学办公室用户设施中聚焦强X射线的光束线-到百万分之一米的位置,大约是人类头发宽度的五十分之一。

“我们的技术确实打开了处理以前难以接近的微晶的大门,包括难以结晶的细胞表面受体和其他膜蛋白,柔性蛋白质和许多复杂的人类蛋白质,”布鲁克海文实验室科学家刘群说。这项研究的通讯作者于5月3日在IUCrJ上发表,IUCrJ是国际晶体学联合会的期刊。

解读蛋白质结构

自1958年以来,蛋白质晶体学一直是解决蛋白质结构的主要方法,随着时间的推移,随着X射线源变得越来越强大,可以进行更精确的结构测定。为了确定一种蛋白质结构,科学家们测量了像NSLS-II产生的那些x射线如何衍射或反弹,由同一蛋白质分子的许多拷贝组成的有序晶格中的原子以相同的方式排列。衍射图案传达有关原子位于何处的信息。但这还不够。

“只有衍射的X射线波的振幅才会记录在探测器上,而不是它们的相位(波浪之间的时间),”刘说。“两者都需要重建三维结构。这就是所谓的结晶相问题。“

晶体学家通过从不同类型的散射中收集相位数据来解决这个问题,称为反常散射。当比蛋白质的主要成分碳,氢和氮重的原子吸收并重新发射一些X射线时,就会发生异常散射。当X射线能量接近那些重原子喜欢吸收的能量时,就会发生这种情况。科学家为了这个目的,有时人为地将重原子如硒或铂插入蛋白质中。但是在整个蛋白质分子中天然存在的硫原子也可以产生这样的信号,尽管它们较弱。尽管这些异常信号很弱,但是大晶体通常具有足够的硫原子拷贝,使其具有足够的硫原子以使其可测量。

“一旦你知道了硫的位置,就可以计算出其他蛋白质原子的相位,因为硫和其他原子之间的关系是固定的,”刘说。

但根据定义,微小的晶体没有那么多感兴趣的蛋白质拷贝。因此,Brookhaven / Columbia团队不是从单个大晶体中的蛋白质重复拷贝中寻找衍射和相位信息,而是开发出一种从许多微小晶体中进行测量的方法,然后汇总集体数据。

微小的水晶,效果很好

为了处理微小的晶体,该团队开发了带有微型孔的样品网格。在将含有微晶的溶剂倒在这些安装好的网格上之后,科学家们除去了溶剂并冻结了被困在网格上的晶体。

“尽管如此,我们仍然面临挑战,因为我们无法看到微小晶体在我们的网格上的位置,”刘说。“为了找到答案,我们在NSLS-II的Frontier Microfocusing Macromolecular Crystallography(FMX)光束线上使用微衍射来测量整个网格。逐行扫描,我们可以找到隐藏这些晶体的位置。“

正如FMX的主要光束线科学家Martin Fuchs所解释的那样,“FMX光束线可以将X射线束的全部强度聚焦到一微米或百万分之一米的大小。我们可以精确控制光束尺寸,使其与晶体尺寸相匹配 - 在当前实验的情况下为5微米。这些能力对于获得最佳信号至关重要,“他说。

另一位FMX光束科学家吴先生指出,“电网调查中收集的数据包含有关晶体位置的信息。此外,我们还可以看到每个晶体的衍射情况,这使我们只能选择最好的晶体进行数据采集。“

然后,科学家们能够操纵样品架,将每个映射出的感兴趣的微晶放回精密X射线束的中心进行数据收集。

他们利用光束线调制的最低能量尽可能接近硫原子的吸收能量 - 并收集异常散射数据。

“大多数晶体束线无法达到优化异常信号的硫吸收边缘,”哥伦比亚大学的共同作者Wayne Hendrickson说。“幸运的是,NSLS-II是世界领先的同步加速器光源,可提供覆盖广谱X射线能量的明亮X射线。即使我们的能量水平略高于硫的理想吸收能量,它也会产生我们需要的异常信号。“

相关推荐