Naukowcy wykorzystują krystalografię seryjną do wzmocnienia „filmów molekularnych” i rzucenia światła na oporność na antybiotyki

Elektryzujące zdjęcia galopującego konia Eadwearda Muybridge’a podpaliły świat, gdy stworzył prekursora tego, co stało się kinem. Dla dzisiejszych naukowców nowa aktualizacja jednego z najpotężniejszych na świecie źródeł światła rentgenowskiego może ulepszyć sposób tworzenia filmów molekularnych. Może to ujawnić ukryte tajemnice różnych chemikaliów, potencjalnie torując drogę dla nowych metod leczenia i farmaceutyków.

Naukowcy często wykorzystują różne formy techniki zwanej krystalografią do rekonstrukcji struktury molekularnej białek. Naukowcy z Narodowego Laboratorium Argonne Departamentu Energii USA (DOE) wykorzystali i rozwinęli nową metodę zwaną krystalografią szeregową, opracowaną wcześniej w rentgenowskich urządzeniach laserowych na swobodnych elektronach. Ukazał się artykuł oparty na badaniu Komunikacja natury.

Połączenie krystalografii szeregowej z obserwacjami w krótkich skalach czasowych (od jednej dziesiątej do jednej setnej sekundy) pozwala naukowcom wykrywać w czasie rzeczywistym zmiany kształtu białek i cząsteczek związanych ze sobą podczas reakcji chemicznych. Technika ta oferuje wyjątkową przewagę nad poprzednimi formami krystalografii, ponieważ poszczególne kryształy mogą być mniejsze i wystarczy je oświetlić promieniami rentgenowskimi tylko raz i przez krótki okres czasu.

Następna aktualizacja Argonne Advanced Photon Source (APS), obiektu DOE Office of Science w Argonne, stworzy wiązki promieniowania rentgenowskiego do 500 razy jaśniejsze niż te generowane obecnie w obiekcie. Dzięki temu krystalografia seryjna będzie szerzej dostępna w APS, powiedział Andrzej Joachimiak z Argonne Distinguished Fellow, który jest także dyrektorem APS Center for Structural Biology (SBC) i profesorem na University of Chicago.

„Krystalografia szeregowa jest naprawdę w powijakach i była w dużej mierze domeną specjalistycznych urządzeń z laserami na swobodnych elektronach” – powiedział Joachimiak. „Dzięki aktualizacji APS będziemy mogli badać wszystkie rodzaje reakcji na bieżąco, zwłaszcza w przypadku systemów biologicznych”.

W niedawnym wspólnym eksperymencie z naukowcami z University of Chicago Joachimiak użył seryjnej krystalografii do zbadania reakcji antybiotyku i enzymu wyizolowanego z lekoopornego patogenu. Wynik może pomóc naukowcom lepiej zrozumieć mechanizmy molekularne, które pozwalają niektórym bakteriom uzyskać oporność na antybiotyki.

Zespół badawczy wykorzystał SBC na linii badawczej 19-ID oraz specjalistyczne zasoby linii badawczej BioCARS na linii badawczej 14-ID, zarządzanej przez University of Chicago. Według Vukica Srajer, naukowca zajmującego się wiązką w BioCARS i współautora artykułu, linia wiązkowa jest jedną z nielicznych na świecie, która może przeprowadzać krystalografię szeregową w niewiarygodnie krótkich skalach czasowych. Naukowcy wykorzystali BioCARS do przeprowadzenia szeregowej krystalografii czasowo-rozdzielczej.

Wykonując zdjęcie rentgenowskie plastikowego chipa zawierającego zawiesinę tysięcy pojedynczych mikrokryształów białek, Joachimiak i jego współpracownicy byli w stanie szybko i dokładnie zrekonstruować różne struktury białek. Naukowcy zastosowali technikę „bomby z sondą”, w której oświetlili próbkę światłem ultrafioletowym, aby rozpocząć reakcję. Następnie wykorzystali wiązkę promieniowania rentgenowskiego do obserwacji wyniku w różnym czasie.

„Poprzednie próby wykonania tego typu krystalografii zniszczyłyby kryształy, zanim mogliśmy uzyskać pełne dane” – powiedział Joachimiak. „Ponieważ po prostu naświetlamy promieniami rentgenowskimi każdy kryształ przez bardzo krótki okres czasu, możemy uzyskać ponad 40 000 obrazów chipa. To znacznie przyspiesza nasze prace krystalograficzne i daje nam możliwość zobaczenia mechanizmów białek wzdłuż wielu skalach czasowych, których nigdy nie byliśmy w stanie rozwiązać”.

Według Joachimiaka zaletą wykonywania krystalografii seryjnej jest to, że pozwala naukowcom obserwować zmiany w strukturze białek w miarę ich zachodzenia. W przypadku enzymu daje to również naukowcom możliwość obserwowania, w jaki sposób miejsce aktywne enzymu oddziałuje z inną cząsteczką lub substratem.

W badaniu Joachimiak i jego współpracownicy przeanalizowali kompleks białkowo-enzymowy zwany beta-laktamazą, który nadaje niektórym patogenom oporność na antybiotyki. Dzięki krystalografii seryjnej naukowcy byli w stanie zauważyć nagromadzenie atomów cynku, które uruchomiło enzym do rozbicia cząsteczki antybiotyku.

„To tak, jakbyś próbował otworzyć słoik z zablokowaną pokrywką” – powiedział Joachimiak. „Ciągle skręcasz i skręcasz, a początkowo nie rusza się, aż w końcu nagle ustępuje”.

Według Joachimiaka cząsteczka wody jest aktywowana przez jony cynku, aby rozerwać wiązanie antybiotykowe. „Krystalografia szeregowa pokazuje nam dokładnie, kiedy cynk powoduje reakcję” – powiedział. „Możesz obserwować, jak to się dzieje w czasie rzeczywistym”.

Mateusz Wilamowski, naukowiec z Uniwersytetu Jagiellońskiego w Polsce i były pracownik naukowy ze stopniem doktora na Uniwersytecie w Chicago, który również pomagał w przeprowadzeniu badań, powiedział, że możliwość rozwiązania dynamiki tej konkretnej klasy cząsteczek może mieć daleko idące implikacje. . „Istnieje wiele innych białek, takich jak to, które opierają się na podobnych mechanizmach” – powiedział. „Nikt nie był w stanie zbadać pośrednich przejść cząsteczki, które byliśmy w stanie zwizualizować”.

Zwykła krystalografia białek nie pozwala na tworzenie tych filmów molekularnych, ponieważ naukowcy mogą zebrać tylko kilka obrazów przed zniszczeniem kryształu – wyjaśnił Joachimiak. „To naprawdę rewolucyjna technika, która będzie miała ogromny wpływ na to, jak będziemy mogli obserwować i ostatecznie projektować lepsze leki” – powiedział.

Wilamowski wierzy również, że wyniki pomogą w inteligentnym projektowaniu leków, ponieważ przyszłe badania mogą połączyć aktualizację APS z obliczeniami mechaniki kwantowej w celu ulepszenia już istniejących cząsteczek.