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.
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.
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.
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?…
The authors have nothing to disclose.
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.
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 |