Ett team av forskare och ingenjörer vid US Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory har utvecklat ett nytt vetenskapligt instrument som möjliggör ultralogisk och höghastighets karakterisering av proteinkristaller vid National Synchrotron Light Source II (NSLS-II)- en DOE Office of Science User Facility på Brookhaven, som genererar röntgenstrålar med hög energi som kan utnyttjas för att sondera proteinkristallerna. Kallade FastForward MX -goniometern, detta avancerade instrument kommer att avsevärt öka effektiviteten för proteinkristallografi genom att reducera körtiden för experiment från timmar till minuter.

Proteinkristallografi är en viktig forskningsteknik som använder röntgendiffraktion för att avslöja 3-D-strukturer av proteiner och andra komplexa biologiska molekyler, och förstå deras funktion i våra celler. Med hjälp av denna kunskap om livets grundläggande struktur, forskare kan främja läkemedelsdesign, förbättra medicinska behandlingar, och reda ut andra miljö- och biokemiska processer som styr vårt dagliga liv.

För att denna teknik ska fungera, proteiner måste kristalliseras - och de mest utmanande proteinerna växer ofta bara till små mikrokristaller. För att rekonstruera dessa komplexa proteinstrukturer, forskare måste mäta röntgendiffraktionsdata från tusentals mikrokristaller och slå samman den insamlade informationen, en teknik som kallas seriell kristallografi. Dessa mätningar tar för närvarande timmar på högspecialiserade och avancerade forskningsinstrument vid synkrotronmakromolekylära kristallografiska strållinjer att slutföra. Makromolekylär kristallografi strållinjer kan hittas på nästan alla synkrotronstrålningsanläggningar i världen och använder ljuskällornas intensiva röntgenstrålar för att karakterisera proteinernas atomstruktur.

"Med vår nya ultrahöga hastighet och högprecision FastForward MX-goniometer, vi kan samla in seriell kristallografidata så snabbt att fullständiga datamängder nu kan hämtas på bara några minuter, "sa Martin Fuchs, ledande forskare vid Frontier Microfocusing Macromolecular Crystallography (FMX) beamline vid NSLS-II. "Vår nya goniometer drar full nytta av de exceptionella strålegenskaperna hos NSLS-II, och därför av de världsledande ljusa röntgenstrålarna som finns tillgängliga på vår strållinje. "

Teamet utvecklade den nya goniometern speciellt för FMX -strållinjens storlek på en mikrometer, intensiv röntgenstråle. FMX ger nu forskare en unik förmåga att mäta röntgendiffraktionsdata från otroligt små kristaller med mycket högre hastigheter än vid någon annan synkrotronljuskälla.

"Den lilla strålstorleken tillsammans med vår nya snabbskanningsteknik ger oss möjligheten att bestämma strukturen för biologiska molekyler från små proteinkristaller som tidigare inte skulle ha varit tillräckligt stora för att samla in data från, sa Fuchs.

Goniometern kan placera proteinkristaller med en precision på 25 nanometer (4, 000 gånger mindre än bredden på ett människohår) och säkerställer att den lilla röntgenstrålen exakt kan belysa mikrokristaller för diffraktionsmätningar.

"För att uppnå denna precision och hastighet behövde vi övervinna många tekniska utmaningar. Till exempel, vi behövde utveckla ett sätt att flytta kristallen i dessa extremt små steg och, på samma gång, mäta dessa små rörelser, "sa Evgeny Nazaretski, specialist på fysiker och röntgenmikroskopi vid NSLS-II. "Vi var tvungna att kombinera expertis från olika områden som röntgenmikroskopi och strukturbiologi för att möjliggöra denna typ av utveckling."

Brookhaven's Laboratory Directed Research and Development-program finansierade den två år långa design- och byggprocessen, inklusive alla steg från konceptuell design och laboratoriekarakterisering till att integrera systemet i experimentmiljön vid FMX -strålen. Yuan Gao, en forskningsassistent i detta projekt, testade goniometern grundligt under utvecklingen för stabilitet och optimal prestanda och visade skanningshastigheter på upp till 100 Hertz och datainsamlingshastigheter på 750 bilder/sekund. Ett enda seriellt kristallografiförsök kan kräva hundratusentals datumramar.

För att demonstrera prestanda för den nyutvecklade goniometern, laget använde det för att karakterisera två välkända proteiner strukturer, bovint trypsin och proteinas K, och jämförde sina nya rekonstruktioner med befintlig kunskap om dessa två proteinstrukturer.

"Vi mätte dessa två kända proteiner med hjälp av FastForward -goniometern på FMX och utvecklade ett arbetsflöde för databehandling som automatiskt analyserade data när vi samlade in dem, "sa Wuxian Shi, en forskare vid FMX beamline. "Med detta, vi kunde lösa strukturerna och visa att data gav strukturer med hög upplösning och hög kvalitet, även med de snabbaste insamlingshastigheterna. "

Som ett nästa steg, teamet arbetar för att möjliggöra robotutbyte under experimenten för att öka genomströmningen av FMX -strållinjen ytterligare. Detta system kommer sedan att göras tillgängligt för beamlines allmänna användargrupper, och öppna en väg till strukturbestämning från kristaller som är mindre än någonsin tidigare.