En ljummen kväll i början av juni, Space X sköt upp Falcon 9-raketen, som transporterade rymdfarkosten Dragon mot den internationella rymdstationen (ISS). När draken bröt tjuden av jordens gravitation tre små, svarta lådor låg säkert inbäddade i lastrummet. Dessa ofarliga lådor rymmer ett experiment som kan hjälpa forskare att utveckla nya motgift mot nervämnen som används i konfliktzoner.

Varje låda rymmer 30 kammare där kristaller av proteinet, acetylkolinesteras (AChE), kommer växa. Proteinet spelar en central roll i den normala kommunikationen mellan nervceller samt nerv- och muskelceller i människokroppen. När AChE inte kan fungera, resultaten är dödliga.

AChE hämmas av en grupp kemikalier som vanligtvis finns i bekämpningsmedel och nervämnen, kallas organofosfater. Exponering resulterar i skakningar, andningsförlamning och, utan motgift, död. Över hela världen, dessa kemikalier är ansvariga för 200, 000 dödsfall varje år.

Motgift fungerar genom att återaktivera AChE-proteinet och svepa bort överflödigt toxin från kroppen. Den vanligaste FDA-godkända motgiften – Pralidoxim (2-PAM) – kopplar bort organofosfatmolekylen från AChE-proteinet, som kan återgå till normala funktioner. De få motgift som finns tillgängliga för människor är otillräckligt effektiva och långsamma.

"Vi behöver utveckla motgift som är effektiva mot flera typer av organofosfater och kan passera blod-hjärnbarriären för att lättare återaktivera flera AChE-proteiner, sade Don Blumenthal, docent i farmakologi och toxikologi vid University of Utah Health. "Detta är särskilt viktigt för ett scenario med massolyckor."

Blumenthal var katalysatorn som förde samman ett team av experter från hela landet under ledning av projektets huvudutredare Zoran Radić, docent vid Skaggs School of Pharmacy and Pharmaceutical Sciences vid University of California, San Diego (UCSD), i jakten på motgift mot dessa fruktansvärda gifter.

Vid ankomsten till ISS, astronauten Jack Fisher tog tillbaka lådorna och, med en vridning av några spakar, exponerade kapslar som innehåller proteinlösningen till en cocktail av olika salter och buffertar i varje kammare. Under de kommande fyra månaderna, cocktailen kommer att torka ut proteinlösningen, låter AChE-proteinet kristallisera och växa i rymdstationens mikrogravitation.

Navigera i den katalytiska ravinen

Forskare började kartlägga strukturen av AChE-proteinet för flera decennier sedan med hjälp av röntgenkristallografi. Blumenthal, som har tillbringat sin karriär med denna teknik, beskriver dessa strukturer som bara ögonblicksbilder av proteinets struktur, fångas vid en kall temperatur, 100 Kelvin (-280 °F). De avslöjade en komplex proteinstruktur med en distinkt, djup klyfta, kallad den katalytiska ravinen, i dess centrum.

"Den katalytiska ravinen är som en springklyfta, ", sa Blumenthal. "Gåtan har varit hur man får in det organiska fosfatet och motgiftsmolekylen i detta begränsade utrymme."

I sitt frusna tillstånd, ravinen kan inte ta emot någon av de stora molekylerna, mycket mindre båda samtidigt, vilket har omintetgjort forskarnas försök att utveckla nya motgift.

Djupt inne i ravinen ligger den aktiva enzymplatsen, där signalsubstansen, acetylkolin, bryts ner och motgift fungerar.

"Den aktiva enzymplatsen har utvecklats för att snabbt ta emot neurotransmittorer, " sa Radić. "Upp till 10, 000 neurotransmittorer kan passera in och ut ur enzymstället varje sekund."

Organofosfater binder till det aktiva enzymstället och blockerar nedbrytningen av signalsubstansen.

"Den enda förklaringen till hur organofosfater och motgift navigerar i ravinen är att proteinet andas, sa Blumenthal.

Även om proteinet faktiskt inte andas in och andas ut, forskarna tror att dess struktur är dynamisk och ändrar form för att rymma stora molekyler. Med hjälp av röntgenstrålar, Blumenthal och hans kollegor identifierade platsen för tunga atomer i proteinstrukturen, men magin bakom proteinets rörelse låg i att kartlägga den exakta platsen för de lättare väteatomerna, som utgör hälften av atomerna i proteinet.

"Vanligtvis, vi har bara vår fantasi att kartlägga var väteatomerna finns i kristallstrukturen baserat på vår kemiska intuition och kunskap, sade Andrey Kovalevsky, FoU-anställd forskare vid Biology and Soft Matter Division vid Oak Ridge National Laboratory (ORNL). "Det här ger oss inte alltid rätt svar."

Medan neutronkristallografi är dyrare, och mindre tillgänglig än röntgenkristallografi, Kovalevsky är ständigt förvånad över de oväntade resultaten. När man träffar kristallen, neutronstrålen sprider sig, producerar ett diffraktionsmönster som beskriver placeringen av varje atom, även väteatomerna, i strukturen.

"De strukturer som avslöjas av neutrondiffraktion kan helt omskriva vår förståelse av kemin bakom biologiska processer, från hur enzymer fungerar till hur läkemedel binder till ett mål, " sa Kovalevsky.

Förbi jordens hinder

Men Kovalevsky blev stoppad. Trots att man i åratal har utvecklat optimala tillväxtförhållanden på jordens yta, ingen cocktail växte dessa proteinkristaller stora nog att diffraktera neutronstrålen.

"Kristallväxt är en konst, ", sa Kovalevsky. "Varje kristallograf kämpar med denna process för att producera kristaller som är tillräckligt stora och fortfarande av god kvalitet."

Det var då han fick den galna idén. Skicka kristallerna till rymden.

Hans kollegor höll med.

"När jag kom till Oak Ridge, Jag lärde mig om andra forskare som försökte denna väg och odlade bättre kristaller i rymden, sade Kovalevsky. Sedan, han skrattade, "Under att växa upp i Ukraina, Jag trodde aldrig att jag skulle skicka ett experiment ut i rymden."

Medan kristaller i rymden kanske bara växer något större än sina motsvarigheter på jorden, de kommer att växa längre längs varje dimension av dess tredimensionella struktur. Som ett resultat, volymen kommer att öka dramatiskt.

Dessutom, de bildas på ett mer välorganiserat sätt. En kristall består av mindre enheter, som monteras som byggstenar i ett enhetligt mönster. I rymden, dessa block sammanförs i ett mer regelbundet mönster för att bilda en bättre kristall.

"En större volym och en mer organiserad kristall, " sa Kovalevsky.  "Allt hänger ihop för att skapa ett bättre diffraktionsmönster."

Men Kovalevsky var tvungen att klättra. Han hade mindre än ett år efter att hans kollegor säkrat en plats på en framtida rymdfärd för att omoptimera systemet för att odla dessa proteinkristaller inom gränserna för en rymdfarkost.

Kristallerna som kommer att återvända till jorden om fyra korta månader kommer att vara en sammansatt kristall, bestående av AChE-proteinet plus en av tre experimentella motgift – två skapade vid UCSD och en brett testad organofosfatmotgift, MMB4. Kovalevsky kommer att utsätta dessa kristaller för en neutronstråle vid ORNL.

Efter att ha spikat fast proteinstrukturen, de kommer att använda denna information i datorsimuleringar för att designa nya molekyler som kan komma åt aktiveringsplatsen vid basen av ravinen. De kommer att syntetisera motgiftkandidater och jämföra deras effektivitet med den nuvarande FDA-godkända behandlingen, 2-PAM.

Forskarna måste nu spela väntspelet tills kristallerna förs tillbaka till jorden. De räknar med att rymdfarkosten kommer att plaska ner i Stilla havet i oktober. De 90 kristallerna som finns i den lilla, svarta lådor kommer att ha färdats hundratals mil från jorden till ISS och hem igen.

"Ju snabbare vi kan få kristallinformationen, desto snabbare kan vi börja arbeta med att identifiera och skapa nya motgift, sa Blumenthal.