Summary

שיפור ההבלטה צמיגות גבוהה של Microcrystals עבור זמן לפתור את טורי קריסטלוגרפיה הפמטו-שנייה-רנטגן לייזרים

Published: February 28, 2019
doi:

Summary

ההצלחה של ניסוי קריסטלוגרפיה הפמטו-זמן לפתור שנייה טורי תלויה משלוח הדגימה היעילה. כאן, אנו מתארים את הפרוטוקולים כדי למטב את ההבלטה של bacteriorhodopsin microcrystals של מזרק מיקרו-הבלטה צמיגות גבוהה. המתודולוגיה מתבססת על מדגם המגון עם מצמד-כיוונית הרומן והדמיה עם מצלמה במהירות גבוהה.

Abstract

צמיגות גבוהה מיקרו-הבלטה מרססים באופן דרמטי הפחיתו צריכת מדגם בניסויים לחקר הגבישים בפמטושניות טורי (SFX)-רנטגן לייזר אלקטרונים חופשיים (XFELs). סדרה של ניסויים באמצעות את bacteriorhodopsin משאבת הפרוטונים מונחה אור נוסף הקמנו מרססים אלה כאפשרות המועדפת לספק קריסטלים עבור קריסטלוגרפיה זמן לפתור בפמטושניות טורי (TR-SFX) לפתור את השינויים המבניים של חלבונים לאחר photoactivation. כדי לקבל מספר מבניים תמונות באיכות גבוהה, זה חיוני כדי לאסוף כמויות גדולות של נתונים ולהבטיח סיווג של הגבישים בין כל פולס לייזר המשאבה. כאן, אנו מתארים בפרוטרוט איך אנחנו אופטימיזציה ההבלטה של bacteriorhodopsin microcrystals עבור ניסויים TR-SFX האחרונה שלנו-Linac קוהרנטי אור מקור (LCLS). מטרת השיטה היא לייעל את ההבלטה זרימה יציבה ורציפה תוך שמירה על צפיפות גבוהה של גבישים כדי להגביר את הקצב-אילו נתונים ניתן לאסוף ב- TR-SFX הניסוי. אנו להשיג מטרה זו על-ידי הכנת שלב מעוקבים lipidic עם התפלגות הומוגנית של גבישים באמצעות מזרק 3 חלקים הרומן צימוד המכשיר ואחריו התאמת הרכב הדגימה על סמך מדידות של יציבות ההבלטה עם למהירויות גבוהות כיוונון המצלמה. המתודולוגיה ניתן להתאים כדי לייעל את זרימת microcrystals אחרים. ההתקנה תהיה זמינה עבור משתמשים של המתקן החדש שוויצרי לייזר אלקטרונים בחינם.

Introduction

קריסטלוגרפיה בפמטושניות טורי (SFX) היא טכניקה ביולוגיה מבנית המנצלת את תכונותיו הייחודיות של רנטגן לייזר אלקטרונים חופשיים (XFEL) כדי לקבוע את טמפרטורת החדר מבנים מתוך אלפי גבישים בגודל מיקרומטר תוך לעומת רוב הנזק קרינה ע י2,31,עקרון “עקיפה לפני החורבן”.

סיומת זמן לפתור של SFX (TR-SFX), הפולסים הפמטו-שנייה מ XFEL משמשים ללמוד שינויים מבניים חלבונים4,5. החלבון עניין מופעל עם לייזר אופטי (או מפעיל פעילות אחרת) רגע לפני שנורה על ידי XFEL בתוך מלכודת משאבת-בדיקה. על ידי שליטה בדיוק העיכוב בין פולסים משאבת, בדיקה, ניתן ללכוד את חלבון המטרה במצבים שונים. סרטים מולקולרית של שינויים מבניים מעל 11 סדרי גודל בזמן להדגים את הכוח של מקורות XFEL חדש ללמוד את הדינמיקה של מספר חלבונים מטרות6,7,8,9, 10,11,12,13. ב־1995, השיטה מצטרף הטכניקות מבניים ספקטרוסקופיות וסטטיים דינמי לתוך אחד, המספק הצצה לתוך הדינמיקה חלבון-ליד ברזולוציה אטומית.

מערכות פשוטות עבור TR-SFX עשויים להכיל בגורם מפעיל אנדוגני של הפעלת עם מרכיב צילום רגיש כמו רשתית תוך9,bacteriorhodopsin (bR)10, הן את photosystem השנייה12,13, חלבון photoactive צהוב (PYP)6,7 הפיכה photoswitchable חלבון פלואורסצנטי11, או של חד-תחמוצת הפחמן photolyzable מיוגלובין8. וריאציות מרגש של הטכניקה עדיין בפיתוח להסתמך על תמהיל ולהזריק14,ערכות15 ללמוד אנזימטיות או שדה חשמלי המשמש לזירוז שינויים מבניים16. בהתחשב בכך מקורות XFEL היו זמינים רק במשך כמה שנים, חיוץ אחרי הצלחות לעתיד, השיטה מראה פוטנציאל אמיתי למשחקים לגבי הבנתנו כיצד הפונקציה חלבונים.

כי דגימות ביולוגיות נהרסים על ידי החשיפה יחיד בחזקה גבוהה XFEL הדופק, גישות חדשות חלבון קריסטלוגרפיה היו נחוצים. בין הניתוחים, היכולת לגדל כמויות גדולות של microcrystals אחיד צריך להיות מפותח17,18,19. כדי לאפשר איסוף נתונים-XFEL, גבישים אלו חייב להיות מסר, שנמחקו, חידש אז לכל פעימה XFEL. בהתחשב בכך XFELs אש פולסים שמישים ב- 10-120 הרץ, משלוח הדגימה חייב להיות מהיר, יציב ואמין, תוך כדי שמירה גם הקריסטלים שלמים ולא הגבלת הצריכה. בין הפתרונות המוצלחים ביותר הוא מזרק מיקרו-הבלטה צמיגות גבוהה, אשר מספק של continiously הזרמת עמודה של טמפרטורת החדר עמוסי קריסטל lipidic מעוקבים שלב (LCP) על פני קרן רנטגן פעמו20. קריסטלים מונחה באופן אקראי, מוטבע נחל כזיב LCP, נקלטים הפיזור פולסים XFEL רנטגן על גבי גלאי שבו נרשם תבנית עקיפה. LCP היה בחירה טבעית עבור מדיום משלוח הדגימה כפי הוא משמש לעתים קרובות כאמצעי לצמיחה עבור ממברנה חלבון קריסטלים17,21,22,23, מדיה נושאת עדיין אחרים צמיגות גבוהה 24,25,26,27,28,29,30 ו חלבונים מסיסים31 גם שימשו את מזרק. SFX עם מזרק צמיגות גבוהה הצליחה במהלך קביעת מבנה הממברנה חלבונים13,32 כולל G-חלבון בשילוב קולטנים (GPCRs)33,34, 35,36,37, עם איכות הנתונים מספיק עבור ילידי בהדרגה38,39 בעת היותו בזמן והן מדגם יעיל. כיום, מרססים אלה משמשות באופן שגרתי יותר עבור מדידות טמפרטורת החדר-סינכרוטרון מקורות28,30,40,41 , כמו גם יותר טכנית בדרישה TR-SFX ניסויים ב XFELs9,10,13,42.

ניסויים TR-SFX דומות בוצעו באמצעות סוגים אחרים מזרק נוזל שלב משלוח זרם ממוקד זרבובית6,7,12, עם זאת, שיטה זו דורשת כמויות חלבון אינו זמין עבור רבים מטרות מעניינות מבחינה ביולוגית. מצפני מבנים סטטי באמצעות ההבלטה צמיגה הצריכה הממוצעת של 0.072 מ”ג חלבון לכל 10,000 עקיפה אינדקס דפוסי בהשוואה 9.35 מ”ג עבור המטוס נוזלי חרירי דווחו (קרי, על פי 130 יותר מדגם יעיל)20. מזרק צמיגות גבוהה הוכח להיות מכשיר משלוח הדגימה קיימא TR-SFX בלבד ללא צורך להקריב חלק זו הדגימה יעילות43. ב- Nogly et al. (2018)10, לדוגמה, דוגמת צריכת היה בערך 1.5 מ”ג לכל 10,000 דפוסים סדורים באינדקס, אשר משווה לטובה כדי ניסויים TR-SFX דומים באמצעות את PYP איפה צריכת ממוצע המדגם היה גבוה בהרבה עם-74 מ ג חלבון לכל 10,000 נפש דפוסים סדורים באינדקס6. מרססים צמיגות גבוהה ולכן יש יתרונות ברורים כאשר מגבילה כמות חלבון זמין או כאשר גבישים גדלים ישירות LCP.

TR-SFX באמצעות צמיגות גבוהה מרססים להניב הנתונים הכי אמין מספר בעיות טכניות צריך להתייחס: מהירות הזרימה צריך להישאר מעל ערך קריטי מינימלי; hit-הקצב צריך להישמר ברמה כזו אינה מציגה את איסוף הנתונים איטית (למשל, גדול מ- 5%); מדגם חייב להינתן ללא שיבושים מוגזמת. באופן אידיאלי, תנאים אלה מתקיימים כבר זמן רב לפני ניסוי TR-SFX מתוזמן לשימוש זמין XFEL זמן בצורה יעילה ככל האפשר. Pricipally, האטה בזרם LCP עשוי לאפשר חיטוט קריסטלים הופעלו עם פולס לייזר אופטי אחד או יותר, התוצאה במצבים מעורבים פעילים, או לחטט חומר שאוב כאשר החומר umpumped צפויה הקרן. יתרון נוסף של הזרקת מראש בדיקה היא השבתה בעת איסוף הנתונים ב- XFEL הוא ממוזער כזמן הועבר החלפת חרירים סתומים, שינוי החוצה ללא הבלטת ממד דגימות, משימות תחזוקה אחרות מצטמצם.

כאן, אנו מציגים שיטה כדי למטב את משלוח מדגם TR-SFX איסוף הנתונים עם מזרק מיקרו-הבלטה צמיגות גבוהה. פשטות, השיטות המתואר אינם סומכים על גישה למקור רנטגן, למרות העבודה הפרעות לקרן החלקיקים סינכרוטרון29 לספק מידע נוסף אודות המחירים הכה צפוי ואת קריסטל עקיפה. הפרוטוקולים שלנו פותחו כדי למטב את הניסויים כדי ללכוד isomerization רשתית במשאבות פרוטונים bacteriorhodopsin10 , מתבצעת בשני שלבים החל בהכנת הדגימות קריסטל לשחול ואחריו ניטור ההבלטה באמצעות התקנה מצלמה במהירות גבוהה. בשלב אחד, LCP עמוסי קריסטל מעורב עם LCP נוספים, מעבר נמוכה טמפרטורת שומנים או תוספים אחרים כדי להבטיח שהתערובת הסופית מתאימה עבור משלוח לסביבה מדגם ללא סתימת או האטה. מצמד-כיוונית מזרק חדש פותחה על מנת לשפר ערבוב ביצועים ודגימת הומוגניות. השלב השני מורכב מבחן ההבלטה שהוקלט על ידי מצלמה מהירה למדוד ישירות את יציבות מהירות ההבלטה. לאחר הניתוח של נתוני וידאו, התאמות שניתן יהיה בפרוטוקול הכנה הדגימה כדי לשפר את תוצאות הניסוי. הליכים אלה ניתן להתאים להתכונן לחלבונים אחרים TR-SFX איסוף נתונים, עם שינויים מינימליים, ויתרום בשימוש היעיל beamtime XFEL מוגבל. עם מתקנים XFEL חדשים רק מתחיל שלהם44,מבצע45 , ומעבר של שיטות איסוף נתונים טורי מבוססי מזרק synchrotrons28,30,40,41 , בשנים הקרובות ימשיכו בוודאי לספק תובנות חדשות מרגשות דינמיקת פעם-מגוון רחב יותר של מטרות חלבונים מבניים.

Protocol

1. חלבון הכנת הדוגמא קריסטל כ 30 דקות לפני המדגם הוא כדי להיות מוזרק, טען 50 µL של monoolein עמוסי קריסטל מבוססת LCP מזרק µL 100. עבור הזרקה בלחץ אטמוספרי: עומס 10 µL של שמן פראפין לחלק האחורי של מזרק השני. מחזיק את המזרק אנכית, לגרש את בועות האוויר של המזרק. להזרקה לתוך סביבת ואקום: 5 טען µL ש?…

Representative Results

חומר המוצא האידיאלי ההליכים המתוארים כאן (איור 3) הינם צפיפות גבוהה של microcrystals שולבו המוביל צמיגה בינונית עבור מזרק. ההליך דורש כ-50 µL קריסטל נושאת לאדן עבור כל הכנה. אלה יכולים להיות גדל ישירות LCP כמו עם bR9,10 משמש כאן, כדוגמה (<s…

Discussion

שיטת TR-SFX עם מזרק ההבלטה צמיגה הוכיחה להיות טכניקה מעשית ללימודי dynamics מבנית של bacteriorhodopsin9,10 ו- photosystem II13 , עכשיו נראה מוכן ללמוד חלבונים נהיגה השני תהליכים ביולוגיים תמונה כגון מונחי-אור יון תחבורה או חושית5,50. הפרו?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

אנו להכיר Gebhard Schertler, רפאל אבלה, כריס מילן לתמיכה השימוש צמיגות גבוהה מרססים בבית PSI. ריצ’רד Neutze והצוות שלו הם הכירו לדיונים על זמן לפתור קריסטלוגרפיה ומשלוח הדגימה באמצעות מרססים צמיגות גבוהה. עבור תמיכה כספית, אנו להכיר הקרן השוויצרית הלאומית למדע עבור מענקים 31003A_141235, 31003A_159558 (ל. י. ס), PZ00P3_174169 (כדי P.N.). הפרויקט זכה למימון המחקר של האיחוד האירופי אופק 2020 ותוכנית חדשנות תחת המענק מארי-Sklodowska-קירי הסכם לא 701646.

Materials

Mosquito LCP Syringe Coupling TTP labtech store 3072-01050
Hamilton Syringe 1710 RNR, 100 µl Hamilton HA-81065
Hamilton Syringe 1750 RNR, 500 µl Hamilton HA-81265
Monoolein Nu-Chek Prep, Inc. M-239
7.9 MAG Avanti Polar Lipids Inc. 850534O
50% w/v PEG 2000 Molecular Dimensions MD2-250-7
Paraffin (liquid) Sigma-Aldrich 1.07162
High speed camera Photron Photron Mini AX
High magnification lens Navitar 12X Zoom Lens System
Three axis stage ThorLabs PT3/M
Fiber light Thorlabs OSL2
Fused silica fiber Molex/Polymicro TSP-505375
Lite touch ferrule IDEX LT-100
ASU high viscosity injector Arizona State University Purchasable from Uwe Weierstall (weier@asu.edu)
HPLC pump Shimadzu LC-20AD
Electronic gas regulator Proportion Air GP1

References

  1. Neutze, R., Wouts, R., van der Spoel, D., Weckert, E., Hajdu, J. Potential for biomolecular imaging with femtosecond X-ray pulses. Nature. 406 (6797), 752-757 (2000).
  2. Chapman, H. N., et al. Femtosecond X-ray protein nanocrystallography. Nature. 470 (7332), 73-77 (2011).
  3. Barty, A., et al. Self-terminating diffraction gates femtosecond X-ray nanocrystallography measurements. Nature photonics. 6 (December), 35-40 (2012).
  4. Aquila, A., et al. Time-resolved protein nanocrystallography using an X-ray free-electron laser. Optics express. 20 (3), 2706-2716 (2012).
  5. Panneels, V., et al. Time-resolved structural studies with serial crystallography: A new light on retinal proteins. Structural Dynamics. 2 (4), 041718 (2015).
  6. Tenboer, J., et al. Time-resolved serial crystallography captures high-resolution intermediates of photoactive yellow protein. Science. 346 (6214), 1242-1246 (2014).
  7. Pande, K., et al. Femtosecond structural dynamics drives the trans/cis isomerization in photoactive yellow protein. Science (New York, N.Y.). 352 (6286), 725-729 (2016).
  8. Barends, T. R. M., et al. Direct observation of ultrafast collective motions in CO myoglobin upon ligand dissociation. Science (New York, N.Y.). 350 (6259), 445-450 (2015).
  9. Nango, E., et al. A three-dimensional movie of structural changes in bacteriorhodopsin. Science. 354 (6319), 1552-1557 (2016).
  10. Nogly, P., et al. Retinal isomerization in bacteriorhodopsin captured by a femtosecond x-ray laser. Science. 0094 (June), (2018).
  11. Coquelle, N., et al. Chromophore twisting in the excited state of a photoswitchable fluorescent protein captured by time-resolved serial femtosecond crystallography. Nature Chemistry. 10 (1), 31-37 (2017).
  12. Kupitz, C., et al. Serial time-resolved crystallography of photosystem II using a femtosecond X-ray laser. Nature. , (2014).
  13. Suga, M., et al. Light-induced structural changes and the site of O=O bond formation in PSII caught by XFEL. Nature. 543 (7643), 131-135 (2017).
  14. Stagno, J. R., et al. Structures of riboswitch RNA reaction states by mix-and-inject XFEL serial crystallography. Nature. 541 (7636), 242-246 (2017).
  15. Wang, D., Weierstall, U., Pollack, L., Spence, J. C. H. Liquid Mixing Jet for XFEL Study of Chemical Kinetics. Journal of synchrotron radiation. , 1364-1366 (2014).
  16. Hekstra, D. R., White, K. I., Socolich, M. A., Henning, R. W., Šrajer, V., Ranganathan, R. Electric-field-stimulated protein mechanics. Nature. 540 (7633), 400-405 (2016).
  17. Liu, W., Ishchenko, A., Cherezov, V. Preparation of microcrystals in lipidic cubic phase for serial femtosecond crystallography. Nature. 9 (9), 2123-2134 (2014).
  18. Kupitz, C., Grotjohann, I., Conrad, C. E., Roy-Chowdhury, S., Fromme, R., Fromme, P. Microcrystallization techniques for serial femtosecond crystallography using photosystem II from Thermosynechococcus elongatus as a model system. Philosophical transactions of the Royal Society of London. Series B, Biological sciences. 369 (1647), (2014).
  19. Falkner, J. C., et al. Generation of Size-Controlled, Submicrometer Protein Crystals. Chemistry of Materials. 17 (10), 2679-2686 (2005).
  20. Weierstall, U., et al. Lipidic cubic phase injector facilitates membrane protein serial femtosecond crystallography. Nature communications. 5, 3309 (2014).
  21. Landau, E. M., Rosenbusch, J. P. Lipidic cubic phases: a novel concept for the crystallization of membrane proteins. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 93 (December), 14532-14535 (1996).
  22. Caffrey, M. A comprehensive review of the lipid cubic phase or in meso method for crystallizing membrane and soluble proteins and complexes. Acta Crystallographica Section F Structural Biology Communications. 71 (1), 3-18 (2015).
  23. Cherezov, V. Lipidic cubic phase technologies for membrane protein structural studies. Current Opinion in Structural Biology. 21 (4), 559-566 (2011).
  24. Conrad, C. E., et al. A novel inert crystal delivery medium for serial femtosecond crystallography. IUCrJ. 2 (4), 421-430 (2015).
  25. Sugahara, M., et al. Hydroxyethyl cellulose matrix applied to serial crystallography. Scientific Reports. 7 (1), 703 (2017).
  26. Sugahara, M., et al. Grease matrix as a versatile carrier of proteins for serial crystallography. Nature Methods. 12 (1), 61-63 (2014).
  27. Sugahara, M., et al. Oil-free hyaluronic acid matrix for serial femtosecond crystallography. Scientific Reports. 6 (1), 24484 (2016).
  28. Botha, S., et al. Room-temperature serial crystallography at synchrotron X-ray sources using slowly flowing free-standing high-viscosity microstreams. Acta Crystallographica Section D Biological Crystallography. 71 (2), 387-397 (2015).
  29. Kovácsová, G., et al. Viscous hydrophilic injection matrices for serial crystallography. IUCrJ. 4 (4), 400-410 (2017).
  30. Martin-Garcia, J. M., et al. Serial millisecond crystallography of membrane and soluble protein microcrystals using synchrotron radiation. IUCrJ. 4 (4), 439-454 (2017).
  31. Fromme, R., et al. Serial femtosecond crystallography of soluble proteins in lipidic cubic phase. IUCrJ. 2, 545-551 (2015).
  32. Caffrey, M., Li, D., Howe, N., Shah, S. T. A. “Hit and run” serial femtosecond crystallography of a membrane kinase in the lipid cubic phase. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences. 369 (1647), 20130621 (2014).
  33. Liu, W., et al. Serial femtosecond crystallography of G protein-coupled receptors. Science (New York, N.Y.). 342 (6165), 1521-1524 (2013).
  34. Zhang, H., et al. Structure of the Angiotensin Receptor Revealed by Serial Femtosecond Crystallography. Cell. 161 (4), 833-844 (2015).
  35. Fenalti, G., et al. Structural basis for bifunctional peptide recognition at human δ-opioid receptor. Nature Structural & Molecular Biology. (February), (2015).
  36. Kang, Y., et al. Crystal structure of rhodopsin bound to arrestin by femtosecond X-ray laser. Nature. 523 (7562), 561-567 (2015).
  37. Ishchenko, A., Cherezov, V., Liu, W. Preparation and Delivery of Protein Microcrystals in Lipidic Cubic Phase for Serial Femtosecond Crystallography. Journal of Visualized Experiments. 9 (115), 2123-2134 (2016).
  38. Batyuk, A., et al. Native phasing of x-ray free-electron laser data for a G protein-coupled receptor. Science Advances. 2 (9), e1600292 (2016).
  39. Nakane, T., et al. Native sulfur/chlorine SAD phasing for serial femtosecond crystallography. Acta Crystallographica Section D Biological Crystallography. 71 (12), 2519-2525 (2015).
  40. Nogly, P., et al. Lipidic cubic phase serial millisecond crystallography using synchrotron radiation. IUCrJ. 2 (2), 168-176 (2015).
  41. Weinert, T., et al. Serial millisecond crystallography for routine room-temperature structure determination at synchrotrons. Nature Communications. 8 (1), 542 (2017).
  42. Tosha, T., et al. Capturing an initial intermediate during the P450nor enzymatic reaction using time-resolved XFEL crystallography and caged-substrate. Nature Communications. 8 (1), 1585 (2017).
  43. Nogly, P., et al. Lipidic cubic phase injector is a viable crystal delivery system for time-resolved serial crystallography. Nature Communications. 7, 12314 (2016).
  44. Abela, R., et al. Perspective: Opportunities for ultrafast science at SwissFEL. Structural Dynamics. 4 (6), 061602 (2017).
  45. Marx, V. Structural biology: doors open at the European XFEL. Nature Methods. 14 (9), 843-846 (2017).
  46. Cheng, A., Hummel, B., Qiu, H., Caffrey, M. A simple mechanical mixer for small viscous lipid-containing samples. Chemistry and Physics of Lipids. 95 (1), 11-21 (1998).
  47. Qiu, H., Caffrey, M. The phase diagram of the monoolein/water system: Metastability and equilibrium aspects. Biomaterials. 21 (3), 223-234 (2000).
  48. James, D. . Injection Methods and Instrumentation for Serial X-ray Free Electron Laser Experiments. , (2015).
  49. Schindelin, J., et al. Fiji: an open-source platform for biological-image analysis. Nature Methods. 9 (7), 676-682 (2012).
  50. Moffat, K. Femtosecond structural photobiology. Science (New York, N.Y.). 361 (6398), 127-128 (2018).

Play Video

Cite This Article
James, D., Weinert, T., Skopintsev, P., Furrer, A., Gashi, D., Tanaka, T., Nango, E., Nogly, P., Standfuss, J. Improving High Viscosity Extrusion of Microcrystals for Time-resolved Serial Femtosecond Crystallography at X-ray Lasers. J. Vis. Exp. (144), e59087, doi:10.3791/59087 (2019).

View Video