Presentamos el uso del protocolo MeshAndCollect para obtener un conjunto de datos de difracción completa, para su uso en la determinación de la estructura posterior, compuesto por difracción parcial de conjuntos de datos recopilados de muchos pequeños cristales de la proteína fluorescente cerúleo.
Cristalografía de la radiografía es la técnica principal utilizada para obtener información de alta resolución sobre las estructuras 3-dimensionales de macromoléculas biológicas. Hasta hace poco, un requisito importante ha sido la disponibilidad de relativamente grandes, bien diffracting cristales, que son a menudo difíciles de obtener. Sin embargo, el advenimiento de la cristalografía serial y un renacimiento en métodos de recolección de datos multi-cristal ha significado que la disponibilidad de grandes cristales ya no necesita ser un factor limitante. Aquí ilustramos el uso del protocolo automatizado de MeshAndCollect, que primero identifica las posiciones de muchos pequeños cristales montados sobre el mismo soporte de muestra y luego dirige la colección de los cristales de una serie de conjuntos de datos de difracción parcial para fusión posterior y uso en la determinación de la estructura. MeshAndCollect puede aplicarse a cualquier tipo de micro cristales, aunque débil diffracting. Como ejemplo, presentamos aquí el uso de la técnica para resolver la estructura cristalina de la proteína fluorescente ciánica (PPC) cerúleo.
Macromoleculares Cristalografía de rayos x (MX) es, de lejos, el método más utilizado para aumentar la comprensión de la resolución atómica en las estructuras tridimensionales de macromoléculas biológicas. Sin embargo, un cuello de botella importante es el requisito para cristales relativamente grandes, bien diffracting.
A menudo y particularmente cuando la cristalización de proteínas de la membrana, pueden obtenerse sólo muy pequeños cristales de pocos micrones en la dimensión más grande. Daño de la radiación efectos límite la resolución de datos de difracción completos se puede recoger de un solo cristal micro2y muy a menudo, es necesario mejorar la relación señal a ruido y por lo tanto, datos de resolución, por la fusión de varios conjuntos de datos de difracción parcial de cristales diferentes, pero isomorfos. Los aumentos en densidad del flujo de haces de rayos x en las fuentes del sincrotrón y en otros lugares (por ejemplo, electrones libres de rayos x láser (X-FELs)), han significado que los conjuntos de datos útiles difracción parcial se pueden recoger en incluso pequeños cristales de biológico macromoléculas. Esto, alternadamente, ha conducido al desarrollo de nuevas técnicas para la colección y fusión parcial de la difracción conjuntos de datos recogidos de diferentes cristales para producir un conjunto completo de datos para la solución de la estructura. Estas técnicas se refieren comúnmente como serial Cristalografía (SX)3,4,5,6,7,8. Un ejemplo prototípico de SX es el uso de dispositivos de inyector para introducir una corriente estrecha de una mezcla de cristal en el haz de rayos x3,4,5. Un patrón de difracción se registra cada vez que un cristal está expuesto a los rayos x hacia la colección, de muchos miles de cristales individuales de ‘todavía’ imágenes de la difracción, información que luego se fusiona para producir un conjunto completo de datos. Sin embargo, una desventaja considerable de este tipo de colección de datos en serie es que el procesamiento de imágenes puede ser problemático. La calidad de los datos es mejorada considerablemente si cristales pueden rotar varias imágenes de la difracción son recogidos desde el mismo cristal durante experimentos de Cristalografía serie6.
MeshAndCollect1 fue desarrollado con el objetivo de combinar SX con recopilación de datos de rotación de MX ‘estándar’ y permite, de manera automática, experimentadores recopilar conjuntos de datos de difracción parcial de numerosos cristales de la misma meta macromolecular montado sobre el mismo o distintos portamuestras. Un conjunto de datos de difracción completa entonces se obtiene por la fusión de la más isomórfica de los conjuntos de datos parciales recolectados. MeshAndCollect es compatible con cualquier línea de rayos x de sincrotrón de vanguardia para MX (idealmente una instalación de dispositivo de inserción con un relativamente pequeño (20 μm o menos) viga de tamaño en la posición de la muestra). Además de la recopilación de datos completos de una serie de pequeños cristales bien diffracting, el método también es muy adecuado para la evaluación experimental inicial de la calidad de la difracción de micro cristales y para el procesamiento de muestras opacas, por ejemplo, en meso crecido microcristales de proteínas de membrana9.
En el comienzo de un experimento de MeshAndCollect, las posiciones, en dos dimensiones, de cada uno de cristal muchos contenidos en un solo portamuestras se determinan usando una exploración de rayos x de dosis baja. Las imágenes de difracción recogidas durante esta exploración son analizadas automáticamente por el programa DOZOR1, que ordena las posiciones de los cristales en el sostenedor de la muestra según su fuerza de difracción correspondientes. Posiciones para la recolección parciales de conjuntos de datos se asignan automáticamente según un corte de la fuerza de difracción y, en el último paso, pequeñas cuñas de los datos de difracción, típicamente ±5 ° de rotación, se recogen de cada posición elegida. La experiencia ha demostrado que esta gama de rotación proporciona una cantidad suficiente de reflexiones por cristal para el conjunto de datos parcial escalado propósitos, mientras que al mismo tiempo, reducir problemas centrado cristal posible y la posibilidad de exponer múltiples cristales en una especialmente concurrida de apoyo1. Las cuñas de los datos de difracción individual (conjuntos de datos parciales) son entonces procesados ya sea manualmente o utilizando el tratamiento automatizado de datos de las tuberías10,11,12,13. Para la determinación de la estructura aguas abajo entonces es necesario encontrar la mejor combinación parciales de conjuntos de datos para ser combinado14,15,16 después de que el conjunto de datos completo resultante pueden ser tratado de la misma manera como se origina de un solo cristal del experimento.
Como ejemplo de MeshAndCollect en la práctica, aquí os presentamos la solución de la estructura cristalina de la proteína fluorescente ciánica (PPC) cerúleo, utilizando un conjunto de datos de difracción de la combinación parciales de conjuntos de datos recogidos de una serie de microcristales montan sobre el mismo soporte de la muestra. Cerúleo se ha diseñado de la proteína fluorescente verde (GFP) de las medusas Aequorea victoria17, cuyo cromóforo fluorescente está formado autocatalytically de la cyclisation de tres residuos de aminoácidos consecutivos. Cerúleo es obtenido de GFP por mutando respectivamente el primeros y segundo residuos del cromóforo, una serina y una tirosina, treonina (S65T) y triptófano (Y66W) y adaptar el entorno del cromóforo con más mutaciones (Y145A, N146I, H148D, M153T y V163A) para producir un nivel de fluorescencia significativo, pero subóptimo de QY = 0,4918,19,20. Se han propuesto las propiedades fluorescentes subóptimas de Cerulean para vincularse a la dinámica de proteínas complejas que implican la estabilización imperfecta de uno de los once β-filamentos de la proteína21 y a la comodidad de dos diferentes cromóforo isómeros dependiendo del pH y la irradiación condiciones22. Elegimos trabajar con cerúleo como una proteína modelo que ilustra el uso del Protocolo de MeshAndCollect debido a la relativamente facilidad de ajuste de tamaño de los cristales según la cristalización. La estructura del cerúleo es muy similar a que de la proteína GFP de padres, tal como está constituida de un β-barril formado por once β-filamentos que rodean una α-hélice, que lleva el cromóforo.
El éxito de un experimento de MX depende generalmente de la existencia de relativamente grandes, bien diffracting cristales. Proyectos donde falla optimización de duchas de cristal a los cristales más grandes, MeshAndCollect ofrece una posibilidad de obtener un conjunto de datos de difracción completa para la solución de estructura mediante la combinación isomórfica parciales de conjuntos de datos recogidos de una serie de pequeños cristales. El método es compatible con beamlines del sincrotrón para MX, idealmente con un flujo de fotones alta y un pequeño haz de diámetro, equipado con un dispositivo de difractómetro de vanguardia y un detector de la rápido-lectura. Tal una estación final, la parte de la colección de datos de tal experimento tendrá unos 20 minutos, dependiendo el número parciales de conjuntos de datos a ser recogidos y el número de titulares de muestra que contiene el cristal a analizar.
El requisito más importante para el éxito de un experimento de MeshAndCollect es la existencia de un número suficiente (menos de 50, 100 idealmente) de diffracting posiciones en el portamuestras. De la experiencia, el tamaño mínimo de los cristales que se analizará debe ser aproximadamente 5 μm en la dimensión más pequeña. El método es compatible con cualquier tipo de estándar compatible con refrigeración cRIO los titulares de la muestra con los mejores resultados se consigue utilizando malla de monturas que son rígidas y rectas.
En el ESRF, MeshAndCollect se implementa de una manera fácil de usar en un pasarela (http://isencia.be/passerelle-edm-en) flujo de trabajo de30 en el software de control de línea de MXCuBE2. Una ventaja importante de MeshAndCollect en comparación con otros métodos SX es que los datos recogidos pueden ser procesados por programas estándar y automatizado de tuberías utilizadas para monocristal MX.
Como se muestra en nuestro ejemplo, MeshAndCollect es muy fácil de aplicar y conduce a una serie de conjuntos de datos de difracción parcial, generalmente recogidas de pequeños cristales, que pueden combinarse para producir un conjunto completo de datos para su uso en la solución de la estructura. Además, MeshAndCollect tiene el potencial para abrir el espacio de muestreo de Cristalografía de proteínas ya que proporciona una manera de recoger datos útiles de ensayos de cristalización donde el último paso de la optimización, la producción de cristales grandes, no tiene éxito.
A la luz de la actual evolución hacia fuentes de rayos x más brillantes (por ejemplo, extremadamente brillante fuente (EBS) proyecto/ESRF35) es previsible que debido a daño de la radiación creciente, el tipo de recogida de datos múltiples cristal facilitó por MeshAndCollect se convertirá en el método estándar de recolección de datos, en lugar de una excepción – como es el caso – a base de sincrotrón MX líneas.
The authors have nothing to disclose.
Agradecemos el ESRF para proporcionar tiempo de rayo a través de su programa de investigación.
Beamline | ESRF ID 23-1 | ||
Concentrators: Amicon Ultra-4 Ultracel -30K | Merck Millipore | UFC803024 | |
Crystallization plates XDXm with sealant | Hampton Research | HR3-306 | |
EDTA- free protease inhibitors | Roche | 4,693,159,001 | |
Escherichia coli BL21 (DE3) | Life Technologies Thermo Fisher Scientific | C600003 | |
glycerol | VWR Chemicals Prolabo | 14388.29T | |
HEPES | Euromedex | 10-110-C | |
His-trap HP | GE healthcare | 17-5247-01 | |
imidazole | Sigma-Aldrich | 56750-500G | |
MgCl2 | Sigma-Aldrich | 13452-1KG | |
MicroMeshes 700/25 | MiTeGen | SKU: M3-L18SP-25L | |
NaCl | Fisher Chemical | S/3160/60 | |
PEG8000 | Sigma-Aldrich | P5413-500G | |
Sonicator vibra cell 75/15 | SONICS | ||
Superdex 75 10/300 -GL | GE healthcare | 17-5174-01 | |
Tris base | Euromedex | 26-128-3094-B | |
Trypsin | Sigma-Aldrich | T9201-1G | |
Unipuck | Molecular Dimensions | MD7-601 | |
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Programs | |||
ISPyB | ESRF | Solange Delagenière, Patrice Brenchereau, Ludovic Launer, Alun W. Ashton, Ricardo Leal, Stéphanie Veyrier, José Gabadinho, Elspeth J. Gordon, Samuel D. Jones, Karl Erik Levik, Seán M. McSweeney, Stéphanie Monaco, Max Nanao, Darren Spruce, Olof Svensson, Martin A. Walsh, Gordon A. Leonard; ISPyB: an information management system for synchrotron macromolecular crystallography, Bioinformatics, Volume 27, Issue 22, 15 November 2011, Pages 3186–3192, https://doi.org/10.1093/bioinformatics/btr535 | local development |
aimless | MRC Laboratory of Molecular Biology | Evans, P.R., Murshudov, G.N. How good are my data and what is the resolution? Acta Crystallographica Section D Biological Crystallography. 69 (7), 1204–1214, doi: 10.1107/S0907444913000061 (2013). | |
ccCluster | ESRF | Santoni, G., Zander, U., Mueller-Dieckmann, C., Leonard, G., Popov, A. Hierarchical clustering for multiple-crystal macromolecular crystallography experiments: the ccCluster program. Journal of Applied Crystallography. 50 (6), 1844–1851, doi: 10.1107/S1600576717015229 (2017). | local development |
DOZOR | ESRF | Bourenkov and Popov, unpublished | local development |
MeshAndCollect workflow | ESRF | Zander, U. et al. MeshAndCollect: an automated multi-crystal data-collection workflow for synchrotron macromolecular crystallography beamlines. Acta Crystallographica Section D Biological Crystallography. 71 (11), 2328–2343, doi: 10.1107/S1399004715017927 (2015). | local development |
MXCuBE2 | ESRF | Gabadinho, J. et al. MxCuBE: a synchrotron beamline control environment customized for macromolecular crystallography experiments. Journal of Synchrotron Radiation. 17 (5), 700–707, doi: 10.1107/S0909049510020005 (2010). De Santis, D., Leonard, G. Notiziario Neutroni e Luce di Sincrotrone,Consiglio Nazionale delle Ricerche. (19), 24–226 (2014). | local development |
XDS | Max-Planck-Institut für Medizinische Forschung | Kabsch, W. XDS. Acta Crystallographica Section D Biological Crystallography. 66 (2), 125–132, doi: 10.1107/S0907444909047337 (2010) |