Используя тип лазера, известный как XFEL, метод открывает дверь к изучению структурных деталей почти 25 процентов известных белков, многие из которых были упущены из виду из-за их неспособности правильно складываться. Группа исследователей во главе с Тихоокеанской северо-западной лабораторией Министерства энергетики и Ливерморской национальной лабораторией сообщает о своих результатах с помощью этой уникальной формы дифракции рентгеновских лучей в мартовском номере журнала International Union of Crystallography Journal.
«В этой статье мы доказываем, что можно использовать XFEL для изучения отдельных монослоев белка», – сказал микроскопист PNNL Джеймс Эванс. "Возможность увидеть любую дифракцию – это новость."
Эванс вместе с физиком LLNL Матиасом Франком возглавлял команду из двух десятков ученых.
Яркие, быстрые рентгеновские лучи были получены в источнике когерентного света линейного ускорителя в Национальной ускорительной лаборатории SLAC в Менло-Парке, Калифорния., новейшее из основных источников рентгеновского излучения Министерства энергетики США в национальных лабораториях. LCLS, в настоящее время самый мощный в мире рентгеновский лазер, представляет собой рентгеновский лазер на свободных электронах. Он излучает лучи в миллионы раз ярче, чем предыдущие источники рентгеновского излучения.
При разрешении около 8 ангстрем (что позволяет различать предметы в тысячу раз меньше, чем ширина волоса), белки выглядят слегка размытыми, но соответствуют ожидаемому виду, основанному на предыдущих исследованиях.
Эванс сказал, что такой уровень ясности позволит исследователям в некоторых случаях увидеть, как белки меняют свою форму, когда они взаимодействуют с другими белками или молекулами в своей среде.
Чтобы получить более четкое представление о монослоях белков с помощью XFEL, команде необходимо будет улучшить разрешение до 1–3 ангстрем, а также сделать изображения белков под разными углами, усилия, которые в настоящее время предпринимаются.
Не кристалл вашей семьи
Исследователи использовали рентгеновскую кристаллографию более 60 лет для определения формы и формы белков, которые образуют элементы и шестеренки клеток живого организма. Однако традиционный метод требует, чтобы белки складывались в большой кристалл, подобно тому, как апельсины складываются в ящик. Таким образом была определена структура более 80000 белков, что привело к прорыву в понимании болезней, патогенов и того, как организмы растут и развиваются.
Но многие белки, встречающиеся в природе, нелегко складываются.
Некоторые выступают из жировых мембран, покрывающих клетки, обнаруживая и взаимодействуя с другими клетками и объектами, такими как вирусы или бактерии, в окружающей области. Эти белки не привыкли к тому, чтобы наверху располагались другие подобные белки. Эти так называемые мембранные белки составляют около 25 процентов всех белков, но только 2 процента белков, структуру которых исследователи определили.
Вафля Тонкая
В последнее десятилетие исследователи преследовали идею о том, что один лист белков можно было бы визуализировать, если бы рентгеновские лучи были достаточно яркими, но вспыхивали и гасли достаточно быстро, чтобы ограничить ущерб, наносимый мощными рентгеновскими лучами. Два года назад ученые продемонстрировали, что они могут использовать технологию XFEL на кристаллах белков толщиной от 15 до 20 листов.
Эванс, Фрэнк и их команда хотели продвинуть это дальше. Команда работала над способом создания кристаллов толщиной в один лист двух разных белков – белка под названием стрептавидин и мембранного белка под названием бактериодопсин. Структуры обоих белков хорошо известны ученым, что дало команде возможность сравнить свои результаты с.
Команда осветила сверхъяркие рентгеновские лучи на короткое время – около 30 фемтосекунд, несколько миллионов миллиардных долей секунды – на кристаллы белка. Они создали так много данных в процессе, что им потребовалось больше года, чтобы проанализировать их все.
Полученные изображения выглядят как известные структуры, подтверждая этот метод. Затем исследователи попытаются запечатлеть белки, меняющие форму, когда они вступают в химическую реакцию.
Для этого могут потребоваться даже более короткие рентгеновские вспышки, чтобы четко увидеть действие.
В случае успеха более короткие вспышки XFEL могут означать более длинные строки в SLAC.