_ Oamenii de știință folosesc cristalografia în serie pentru a îmbunătăți „filmele moleculare” și a face lumină asupra rezistenței la antibiotice

Fotografiile electrizante ale unui cal în galop ale lui Eadweard Muybridge au dat foc lumii când a creat precursorul a ceea ce au devenit filme. Pentru oamenii de știință de astăzi, o nouă actualizare la una dintre cele mai puternice surse de lumină cu raze X dure din lume ar putea îmbunătăți modul în care sunt realizate filmele moleculare. Acestea ar putea dezvălui secrete ascunse ale diferitelor substanțe chimice, deschizând potențial calea pentru noi tratamente și produse farmaceutice.

Oamenii de știință folosesc de obicei diferite forme ale unei tehnici numite cristalografie pentru a reconstrui structura moleculară a proteinelor. . Cercetătorii de la Laboratorul Național Argonne al Departamentului de Energie al SUA (DOE) au folosit și extins acum o nouă metodă numită cristalografie în serie, dezvoltată anterior la instalațiile laser cu electroni liberi cu raze X. O lucrare bazată pe studiu a apărut Nature Communications.

Combinarea cristalografiei în serie cu observații pe scări scurte de timp (de la o zecime la o sutime de secundă) le permite oamenilor de știință să detecteze modificări în timp real ale formei proteinelor. și moleculele legate în timpul reacțiilor chimice. Tehnica oferă un avantaj unic față de formele anterioare de cristalografie, deoarece cristalele individuale pot fi mai mici și trebuie să fie iluminate cu fascicule de raze X o singură dată și pentru o perioadă scurtă de timp.

Actualizarea viitoare. la Argonne's Advanced Photon Source (APS), o facilitate de utilizator DOE Office of Science la Argonne, va crea fascicule de raze X care sunt de până la 500 de ori mai strălucitoare decât cele generate în prezent la instalație. Acest lucru va permite ca cristalografia în serie să fie disponibilă mai pe scară largă la APS, a spus distinsul coleg Argonne, Andrzej Joachimiak, care este, de asemenea, directorul Centrului de Biologie Structurală (SBC) la APS și profesor la Universitatea din Chicago.

„Cristalografia în serie este într-adevăr la început și a fost în mare parte de competența unor instalații specializate cu lasere cu electroni liberi”, a spus Joachimiak. „Cu Upgrade-ul APS, vom avea capacitatea de a studia tot felul de reacții pe măsură ce se întâmplă, în special pentru sistemele biologice.”

Într-un experiment recent, în colaborare cu cercetătorii de la Universitatea din Chicago, Joachimiak a folosit cristalografie în serie pentru a examina reacția unui medicament antibiotic și a unei enzime izolate dintr-un agent patogen rezistent la medicamente. Rezultatul le-ar putea ajuta să ofere cercetătorilor o idee mai bună asupra mecanismelor moleculare care permit anumitor bacterii să câștige rezistență la antibiotice.

Echipa de cercetare a folosit SBC la linia de lumină 19-ID și capacitățile specializate ale liniei de lumină BioCARS la 14-ID, gestionat de Universitatea din Chicago. Potrivit lui Vukica Srajer, un om de știință al cercetării BioCARS și co-autor al lucrării, linia de lumină este una dintre puținele din lume care poate efectua cristalografie în serie pe scale de timp incredibil de scurte. Cercetătorii au folosit BioCARS pentru a efectua cristalografie în serie cu rezoluție în timp.

Făcând o scanare cu raze X a unui cip de plastic care conținea o suspensie de mii de microcristale de proteine ​​individuale, Joachimiak și colegii săi au reușit să realizeze rapid și precis reconstruiți mai multe structuri proteice. Cercetătorii au folosit o tehnică „pompă-sondă” în care au strălucit cu lumină ultravioletă probă pentru a iniția o reacție. Apoi au folosit fasciculul de raze X pentru a observa rezultatul în diferite momente.

„Încercarile anterioare de a face acest tip de cristalografie ar distruge cristalele înainte de a putea obține datele complete”, a spus Joachimiak. „Deoarece strălucim fasciculele de raze X pe fiecare cristal în particular pentru o perioadă foarte scurtă de timp, putem obține peste 40.000 de imagini dintr-un singur cip. Acest lucru ne accelerează dramatic eforturile de cristalografie și ne oferă capacitatea de a vedea în proteine. mecanisme pe mai multe scale de timp pe care nu am fost niciodată capabili să le rezolvăm.”

Avantajul efectuării cristalografiei în serie, conform lui Joachimiak, este că le permite oamenilor de știință să observe schimbările în structura proteinei pe măsură ce se întâmplă. În cazul unei enzime, aceasta oferă, de asemenea, oamenilor de știință capacitatea de a analiza modul în care site-ul activ al enzimei interacționează cu o altă moleculă sau substrat.

În studiu, Joachimiak și colegii săi s-au uitat la o proteină-enzimă. complex numit beta-lactamaza, care conferă anumitor agenți patogeni rezistență la antibiotice. Cu ajutorul cristalografiei în serie, cercetătorii au reușit să observe o acumulare de atomi de zinc care a declanșat enzima să spargă molecula de antibiotic.

„Este ca și cum ai încerca să deschizi un borcan cu capacul blocat”. spuse Joachimiak. „Tu continui să te răsuci și să te răsuci și nu se mișcă inițial, până în cele din urmă cedează brusc.”

Potrivit lui Joachimiak, o moleculă de apă este activată de ionii de zinc pentru a rupe legătura antibioticului. „Cristalografia în serie ne arată exact când zincul face ca reacția să aibă loc”, a spus el. „Puteți urmări cum se întâmplă în timp real.”

Mateusz Wilamowski, cercetător la Universitatea Jagellonian din Polonia și fost cercetător postdoctoral la Universitatea din Chicago, care a ajutat și el la realizarea cercetării, a spus că capacitatea pentru a rezolva dinamica acestei clase particulare de molecule ar putea avea implicații de anvergură. „Există multe alte proteine ​​ca aceasta care se bazează pe mecanisme similare”, a spus el. „Nimeni nu a reușit să studieze tranzițiile intermediare ale moleculei pe care am putut să le vizualizăm.”

Cristalografia obișnuită a proteinelor nu permite crearea acestor filme moleculare, deoarece oamenii de știință pot colecta doar o mână de imagini. înainte de a distruge cristalul, a explicat Joachimiak. „Este cu adevărat o tehnică revoluționară care va avea un impact uriaș asupra modului în care putem observa și în cele din urmă să proiectăm medicamente mai bune”, a spus el.

De asemenea, Wilamowski crede că rezultatele vor ajuta la proiectarea inteligentă a medicamentelor, ca cercetări viitoare. ar putea asocia Upgrade-ul APS cu calcule mecanice cuantice pentru a îmbunătăți moleculele deja existente.

(Fluierul)