Site Sponsors
  • Park Systems - Manufacturer of a complete range of AFM solutions
  • Oxford Instruments Nanoanalysis - X-Max Large Area Analytical EDS SDD
  • Strem Chemicals - Nanomaterials for R&D
Posted in | Microscopy | Nanoanalysis

Forskere Udvikle hurtig og effektiv måde til at bestemme strukturen af ​​proteiner

Published on July 20, 2009 at 10:10 PM

Forskere ved det amerikanske Department of Energy (DOE) Lawrence Berkeley National Laboratory har udviklet en hurtig og effektiv måde til at bestemme strukturen af proteiner, afkortning en proces, der ofte tager år inde i et spørgsmål om dage.

Greg Hura på sibyller beamline på Advanced Light Source på Berkeley Lab. De beamline har to udskiftelige ende stationer, en for makromolekylære krystallografi og én for små vinkel røntgenspredning (SAXS). Foto: Lawrence Berkeley National Lab - Roy Kaltschmidt, fotograf

Den high-throughput protein rørledning kan gøre det muligt for forskerne at fremskynde udviklingen af ​​biobrændstoffer, dechifrere, hvordan extremophiles trives i forhold, der dræber de fleste organismer, og bedre forstå, hvordan proteiner udføre livets vitale funktioner.

Teknikken vil hjælpe forskerne holde trit med den stigende strøm af data, der stammer fra genomiske studier af organismer og miljøprøver såsom havvand og jord. Hver ny gen identificeret i disse undersøgelser koder for et protein, og strukturen af ​​hver protein skal karakteriseres for at kunne fastslå, hvad det gør. Nuværende strukturelle karakterisering teknikker er langsomme, men betyder nyopdagede proteiner og deres mange komplekser holde hober sig op, deres funktion forbliver et mysterium.

"Der er en flaskehals i strukturel genomforskning, og vores system adresser," siger Greg Hura, en videnskabsmand i Berkeley Labs Fysisk Biosciences Division. Han udviklede teknikken med John TAINER af Berkeley Labs Life Sciences Division og Scripps Research Institute i La Jolla, Californien. Michael Adams og andre forskere fra University of Georgia også bidraget til forskningen.

Deres arbejde er offentliggjort i juli 20 online udgave af tidsskriftet Nature Methods.

Holdet har udviklet protein pipeline på Advanced Light Source (ALS), en national brugergruppe beliggende på Berkeley Lab, der genererer intense lys til videnskabelig forskning. På et beamline kaldet sibyller, brugte de en teknik kaldet lille vinkel x-ray spredning (SAXS), som kan billedet et protein i sin naturlige tilstand, som i en løsning, og med en rumlig opløsning på omkring 10 ångstrøm, som er lille nok til at bestemme et proteins tredimensionelle form. Det strålende lys der genereres af Advanced Light Source minimerer mængden af ​​materiale, der kræves for hvert forsøg, hvilket gør teknikken praktisk for næsten alle biomolekyler.

For at maksimere hastigheden, Hura installeret en robot, der automatisk pipetter protein prøver på plads, så de kan analyseres ved hjælp af røntgen spredning. Og for at analysere de resulterende data, de brugte supercomputere ressourcer af det amerikanske Department of Energy er National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), som er baseret på Berkeley Lab. Den supercomputer klynger kan kværne gennem data for 20 proteiner om ugen, eller mere end 1000 makromolekyler om året.

Resultatet er et system, der bevæger sig i et rasende tempo i forhold til de nuværende teknikker, der anvendes til at bestemme form og struktur af proteiner: x-ray krystallografi og kernemagnetisk resonans. For nylig, i den span på en måned, brugte holdet systemet til at løse strukturen af ​​40 proteiner fra Pyrococcus furiosus, en mikroskopisk Ekstremofile, der kan leve ved 100 ° C.

"Det ville have taget flere år med x-ray krystallografi," siger Hura. "Hvad bruges til at tage år, nu kan tager uger."

Tilføjer beholder, "Vi kan nu opnå strukturel information i løsning på de fleste prøver, snarere end de 15 procent opnås ved den bedste af de nuværende struktur-Genomics Initiative indsats beskæftiger kernemagnetisk resonans og krystallografi. "

The Berkeley Lab teamet valgte P. furiosus, fordi det er en spændende kandidat til produktion af ren energi og andre applikationer. Det har en sti, der producerer brint, som er et potentielt alternativ brændstof. Og mange industrielle processer er meget sure og meget varmt - forhold, som P. furiosus elsker.

"Hvis vi kunne lære, hvilken af ​​organismens proteiner gør det muligt at trives under disse forhold, så måske vi kan anvende dem til energiproduktion og andre applikationer," siger Hura.

Fremtidige syntetisk biologi indsats kan indebære at tage et brugbart protein eller et netværk af proteiner fra en mikrobe, og importere den til en anden mikrobe. For at gøre dette, skal forskerne lære meget af netværket skal importeres og stadig have det være i stand til at gøre sit job. Dette kræver analyse af individuelle proteiner i hundredvis af forskellige forhold.

"Dette er, hvor vores system vil have en stor effekt. Vi kan gøre denne form for strukturel analyse i løbet af nogle uger, i modsætning til år med krystallografi, "siger Hura.

Selvfølgelig er en sådan hastighed, der ikke kommer uden kompromiser. X-ray krystallografi giver ekstremt billeder med høj opløsning, mens små vinkel røntgenspredning giver et proteins form på et langt lavere opløsning på omkring 10 ångstrøm (en ångstrøm er en ti-milliontedel af en millimeter).

Men graden af ​​information, der tilbydes af x-ray krystallografi er ikke altid nødvendigt. Nogle gange, bare at vide, hvis man protein er ens i form til en anden er nok til at lære dens funktion. Og SAXS gør op for, hvad det mangler i præcision ved at give nøjagtige oplysninger om formen, montage og konformationelle ændringer af proteiner i opløsning.

"Vi kan have mindre information, og stadig besvare de spørgsmål, som skal besvares," siger Hura og tilføjer, at deres teknik kan hjælpe indvarsle den næste fase af genomforskning. "Antallet af gener bliver identificeret vokser med en enorm hastighed. Vi har brug for at holde trit med det og lære om alle de proteiner kodet i disse gener. "

Tilføjer beholder, "Denne rørledning er et eksempel på den imponerende effekt, vi kan opnå ved at kombinere fysik og teknik med strukturel biologi, som findes i regeringens laboratorier som Berkeley Lab."

Det tværfaglige arbejde, som blev gennemført på Berkeley Lab Advanced Light Source på beamline 12.3.1, også kendt som sibyller (Strukturelt Integreret Biology for Life Sciences), har påberåbt sig ressourcer fra tre forskellige kontorer i DOE Office of Science (SC). Dette arbejde selv var delvist understøttet af SC Office of biologiske og Environmental Research (BER). ALS er støttet af SC Office of Basic Energi Sciences, mens beamline er delvist understøttet af gruppefritagelsesforordningen. NERSC er finansieret af SC Office of Advanced Scientific Computing.

Til støtte formidling af resultater, holdet skabte en web-tilgængelig database, www.Bioisis.net, som arkiver eksperimentelle detaljer forbundet med hver enkelt analyserede prøve.

"Robust, high-throughput løsning strukturelle analyser af små vinkel røntgenspredning (SAXS)" af Greg Hura, Angeli Menon, Michal Hammel, Robert P. Rambo, Farris Poole, Susan Tsutakawa, Francis Jenney, Scott Classen, Kenneth Frankel, robert Hopkins, Sung-JAE-Yang, Joseph Scott, Bret Dillard, Michael Adams og John TAINER er offentliggjort online 20 Jul i tidsskriftet Nature Methods.

Last Update: 9. October 2011 01:34

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this news story?

Leave your feedback
Submit