2011年2月4
亚利桑那州立大学构建蛋白质梁注射器;纳米晶体。
解开生命的分子基础是人类长期追求的。突破朝着这个目标在一对2月3日发表在科学杂志《自然》的研究,详细说明开发的一种新方法来确定生物分子结构基于蛋白质纳米晶体的衍射如此之小,以至于他们甚至没有在显微镜下可见。一个微小的空气射流喷嘴提供了一个充分水化的纳米晶体,从提供一个跨学科的研究团队在亚利桑那州立大学。
这张图片展示了一个示意性的飞秒nanocrystallography的原则。ASU蛋白束注入器(左)放出光系统I纳米晶体,它如此之小,以至于他们在显微镜下是不可见的,在一个完全水化的母液。晶体与拼箱交互流的自由电子激光x射线晶体的瞬间爆炸。自由电子激光x射线是如此强大,它破坏了任何固体材料在其重点,形成等离子体,达到温度高于太阳的内部。
这些发展使近90的一个国际研究小组人员收集超过300万精美清晰的衍射图样“快照”就在晶体在极端强大的超短飞秒脉冲x射线爆炸是如此强烈的它最终会蒸发任何固体材料在其焦点。实验显示x射线自由电子激光的巨大潜力——的光源位于能源部SLAC国家加速器实验室,在生物学和医学新发现。
“从一开始,图像的分辨率记录的生物学家已经被损害由于辐射有限使用,”物理学家约翰·斯宾塞h说摄政王的ASU自由艺术和科学学院的教授,研究报告的作者之一。亚博老虎机网登录“但如果使用脉冲成像辐射损伤开始前终止,但包含足够的光子产生一个有用的散射模式吗?”
许多科学界不相信这样的方法可以工作。然而,斯宾塞说,“使用软x射线理论和最近的实验已经表明,这确实可能会提供一个有用的路径要真正无损害成像,还有最近发明的硬x射线激光(的)”。
揭示蛋白质结构
生物是由生物分子和蛋白质的主要成分和“工作马”是所有细胞。“解开的蛋白质的结构和功能是后基因时代最具挑战性的目标之一,”佩特拉Fromme说,亚利桑那州立大学化学和生物化学教授,第二nanocrystallography工作》一书的作者。
百分之三十的蛋白质不溶性但都是嵌在膜,她解释道。“这些膜蛋白,主要参与者在所有活细胞的功能,目标是超过50%的药物,然而,科学家们缺乏结构和功能的信息。虽然超过60000可溶性蛋白质的结构已经确定到目前为止只有256膜蛋白结构是已知的人类膜蛋白,其中只有四个,“Fromme说,他指导ASU的新传染病、膜蛋白中心的九个中心由美国国立卫生研究院的设立破译膜蛋白的结构。
“该里程碑的研究报道在自然界中开辟了新的途径解决蛋白质结构和将有一个巨大的影响在很多领域,包括清洁能源和医学领域的发展,”她说。“测定蛋白质结构将导致开发新药物与癌症和传染病,由制造药物适合蛋白质的催化中心像一个完美的钥匙在锁。”
nanocrystallography实验,发生在2009年12月在加州的斯坦福线性,Fromme亚利桑那州立大学的实验室提供纳米晶体的光一个大型膜蛋白复合物组成的100000多个原子充当bisolar能量转换的过程中氧的光合作用。
蛋白质晶体含有大量的液体和“极度疲弱,像一块黄油在阳光下,“Fromme解释道。“当你摸他们,他们摧毁了。“花了她的团队13年增长大开发方法,高质量晶体的光系统复杂,允许他们在2001年确定其分子结构。
为nanocrystallography实验的,该研究小组使用成千上万的光系统I纳米晶体。实验的意义有可能改变蛋白质晶体学和领域的报道在《自然》杂志发表的论文“飞秒光蛋白质nanocrystallography。”
“这些实验有潜力成为其中一个最惊人的科学发展”Robert Nemanich说椅子的亚利桑那州立大学的物理系。
小喷嘴到达目标
研究斯宾塞,在衍射的物理的丰富经验,领导开发ASU组蛋白束喷射器,一小块的设备发射一连串的蛋白质溶液在线性脉冲硬x射线。app亚博体育
“拼箱的实验运行超出了所有的预期,”r·布鲁斯Doak说,亚利桑那州立大学物理学教授有30多年经验科学的超音速原子和分子束。亚博老虎机网登录2009年12月在实验中,他写道:“ASU液体喷射表现完美。我们放在一起一个双热源供应系统,允许我们没有关掉开关样品流,所以喷嘴已经连续运行超过50小时。
“在早期,我们建立了样本的浓度microcystallite光系统I提供了一种x射线衍射模式几乎每个脉冲- 30 x -射线衍射图像每秒!这里没有人曾经见过类似的100%打老鼠,更持续好几天;到目前为止300万多个存储衍射图像。衍射模式是艳丽,”Doak写道,也是作者自然nanocrystallography纸。
学生的国际努力的一部分
其他作者来自亚利桑那州立大学的物理系包括乌维Weierstall,研究教授;凯文·e·施密特教授;Richard a . Kirian博士生;和小玉王,博士生。团队成员来自亚利桑那州立大学的化学和生物化学的部门包括马克·s .猎人,博士生;和教师研究协会Ingo Grotjohann Raimund Fromme。
“理查德Kirian和马克猎人工作好几年的飞秒结晶学项目和优秀研究生亚利桑那州立大学的范本,工作在一个跨学科的领域,”佩特拉Fromme说。“马克已经所有的光系统I晶体的实验和开发新的方法和技术对经济增长和生物物理特性的蛋白质纳米晶体在他的博士学位研究和理查德已经开发了新方法的评价和分析nanocrystallography数据在他的博士学位研究。”
向上的国际研究和作者nanocrystallography纸是亨利·n·查普曼,谜底,德国。等,研究小组来自20多个机构包括Janos豪伊杜·m·马文Seibert托马斯Ekeberg和菲利浦- R.N.C.玛雅,乌普萨拉大学瑞典。第二个实验的结果进行线性的同一周报告在《自然》杂志发表的论文“单一米米病毒粒子截获并与x射线激光成像。”yabo214
“这些都是早期对飞秒衍射成像,”斯宾塞指出,谁提供了理论和数据分析。“但首先表明高分辨率的数据现在可以获得通过该方法在纳米尺度上。如果我们确实可以“逃脱”以这种方式许多辐射损伤过程,它将打开未来laser-excited实验样品,3 d图像重建和许多其他实验快速成像,所有指向获得电影显示分子的大挑战在工作。”
研究吸引资金
斯宾塞是首席研究员和Fromme、Doak Weierstall和施密特的研究得到美国国家科学基金会的资助,最近的一项研究电子转移的动力学。亚博老虎机网登录格兰特的主要目标是瓦解构象变化参与inter-protein膜蛋白复合物之间的电子转移光系统I和可溶性电子受体蛋白铁氧还蛋白结晶学飞秒光诱导时间解决。
Fromme正在领导一个团队,包括斯宾塞,Doak, Weierstall,施密特和亚历山德拉Ros,化学助理教授作为一个新的146万美元的赠款的接受者从美国国立卫生研究院的进一步研究飞秒nanocrystallography膜蛋白质。“格兰特的目的是进一步开发新方法,这很可能改变结构生物学领域的。说,这个格兰特的创新开发肯定会产生令人兴奋的和全新的研究活动,”主席威廉•Petuskey表示ASU的化学和生物化学。
来源:http://www.asu.edu/