אנו מציגים פרוטוקול להתגבשות חלבונים באמצעות מתקן ההתגבשות במתחם המחקר בהארוול ולאחר מכן באתרו איסוף נתונים קריסטלוגרפיים מקרני רנטגן מגבישים בתוך הלוחות בקריסטלוגרפיה מקרומולקולרית רב-תכליתית באתרו (VMXi) של דיאמונד. אנו מתארים דרישות לדוגמה, פרוטוקולי התגבשות והנחיות לאיסוף נתונים.
פרוטוקולים להתגבשות חלבונים רובוטיים באמצעות מתקן ההתגבשות בהארוול ואיסוף נתוני טמפרטורת החדר באתרם מלוחות התגבשות ב- Diamond Light Source beamline VMXi מתוארים. גישה זו מאפשרת לקבוע מבנים גבישיים באיכות גבוהה בטמפרטורת החדר מגבישים מרובים בצורה פשוטה ומספקת משוב מהיר מאוד על תוצאות ניסויי התגבשות וכן מאפשרת קריסטלוגרפיה סדרתית. הערך של מבנים בטמפרטורת החדר בהבנת מבנה החלבון, קשירת ליגנדים ודינמיקה הופך מוכר יותר ויותר בקהילת הביולוגיה המבנית. צינור זה נגיש למשתמשים מכל רחבי העולם עם מספר מצבי גישה זמינים. ניסויי התגבשות המוגדרים ניתנים לצילום ולצפייה מרחוק באמצעות גבישים המזוהים באופן אוטומטי באמצעות כלי למידת מכונה. הנתונים נמדדים במערכת מבוססת תור עם ערכות נתונים של עד 60° סיבוב מגבישים שנבחרו על-ידי המשתמש בלוח. נתונים מכל הגבישים בתוך באר מסוימת או קבוצת מדגם מתמזגים באופן אוטומטי באמצעות xia2.multiplex כאשר היציאות נגישות ישירות באמצעות ממשק דפדפן אינטרנט.
קריסטלוגרפיה בקרני רנטגן נותרה כלי מפתח להבנת המבנה והתפקוד של חלבונים, ומספקת מבנים ברזולוציה גבוהה של חלבונים או קומפלקסים שלהם עם, למשל, מצעים או מועמדים לתרופה. עם זאת, במקרים רבים, השגת גבישים בעלי תכונות רצויות – דיפוזיה גבוהה, צורה גבישית הניתנת להשריה וללא פתולוגיות גבישיות כגון תאומים – נותרת צוואר בקבוק ניכר1. מכיוון שתנאים כימיים מתאימים לייצור גבישי חלבונים אינם ניתנים לחיזוי, באופן כללי, סינון התגבשות החוקר אלפי תערובות כימיות פוטנציאליות הוא סטנדרטי, לעתים קרובות בסיוע אוטומציה/רובוטיקה בהגדרת מסכים ומלונות גבישים לצורך ניטור, לעתים קרובות מרחוק, של תמונות טיפות ההתגבשות המוקלטות.
כאשר מופיעים גבישים, בדרך כלל יש לקצור אותם מסביבת ההתגבשות באמצעות ניילון או לולאת קפטון ולאחר מכן, להעביר אותם לטיפה המכילה חומר הגנה קריו-פרוטקטיבי (שהחיפוש אחריו הוא משתנה נוסף) לפני שהם צוללים-קופאים לחנקן נוזלי. שלבים נוספים אלה בין התגבשות ואיסוף נתוני רנטגן יכולים לכלול התייבשות של טיפת ההתגבשות כאשר הסביבה האטומה שלה נשברת, לחצים מכניים על הגביש בעת הטיפול בו, ונזק מחומרי ההגנה הקריוגרטיים לסריג הגביש (בדרך כלל כתוצאה מכך התפשטות פסיפס מוגברת) בין גורמים אחרים2. בנוסף, קצירת גבישים דורשת זמן ועבודה רבה ועלולה להוביל לחוסר הומוגניות בין הדגימות, במיוחד כאשר העור נוצר על טיפות במהלך תהליך הקציר. אלומת VMXi מעניקה גישה לנתונים שמישים מגבישים הדבוקים לצלחת, שאחרת היו מושלכים לאיסוף נתונים.
הרוב המכריע של מבני גבישי קרני רנטגן נקבעים ב 100K באמצעות הגישה לעיל, המאפשרת הובלה וטיפול גבישי פשוט ומאריך את חיי הגביש בקרן הרנטגן בסדרי גודל. עם זאת, יש עניין גובר בקביעת מבנים בתנאים לא קריוגניים, כלומר, הרבה יותר קרוב לתנאים הפיזיולוגיים הרלוונטיים לתפקוד חלבון 2,3,4. זה מאפשר הערכה הרבה יותר טובה של המבנה הדינמי של חלבונים, מונע קונפורמציות של חומצות אמינו או לולאות להיות מוקפאות במצבים פונקציונליים לא רלוונטיים5, ומאפשר לחקור את קשירת הליגנד בתנאים הרבה יותר קרובים לאלה בסביבה הטבעית של החלבון בתוך התא והאורגניזם6.
גישה חלופית, המיושמת ב-VMXi (Versatile Macromolecular Crystallography in situ) בסינכרוטרון של מקור אור יהלום, בריטניה, היא למדוד את נתוני העקיפה ישירות מגבישים בסביבה שבה הם גדלו (כלומר, בתוך לוח ההתגבשות), בתנאי סביבה וללא הפרעה 7,8. זה מאפשר משוב מהיר מאוד ממסכי התגבשות ואופטימיזציות כדי להנחות את המשתמש לצורה גבישית אופטימלית לדרישותיו. הוא גם מאפשר לייצר מבנים באיכות גבוהה בטמפרטורת החדר באופן אוטומטי9.
פרוטוקול זה מניח שלמשתמש יש דגימת חלבון טהורה ביותר המוכנה להתגבשות. אנו מתארים את חוויית המשתמש בגישה למתקן ההתגבשות בהארוול כדי לייצר גבישי חלבון, ולאחר מכן משתמשים ב-VMXi של אלומה לאיסוף נתונים (איור 1).
מתקן ההתגבשות בהארוול
מתקן ההתגבשות בהארוול (CF) ממוקם במתחם המחקר בהארוול (RCaH) בסמוך למקור אור היהלום. המתקן מציע למשתמשים מעבדה אוטומטית בתפוקה גבוהה להתגבשות מקרומולקולרית, תוך שימוש ברובוטיקה לסינון קריסטליזציה, אופטימיזציה של גבישים, דימות גבישי ואפיון. באמצעות אינטגרציה הדוקה עם קו האלומה האוטומטי ביותר של VMXi, קצב קביעת מבני טמפרטורת החדר הואץ מאוד ומאפשר אפיון של מבני חלבונים חדשים, קומפלקסים של ליגנד חלבונים וליגנד DNA, כמו גם סינון מקטעים אוטומטי (איור 1), והכל בתנאים לא קריוגניים.
צינור CF הוא חבילת מכשור הכוללת רובוטים להתגבשות ננוליטר9 להתגבשות חלבונים מסיסים וממברנלים, רובוטים לטיפול בנוזלים להכנת מסכי התגבשות מסחריים ומסכי אופטימיזציה מותאמים אישית מורכבים, וארבעה מכשירי הדמיה (אחד ב-4°C ושלושה ב-20°C להדמיית לוחות התגבשות (ראו טבלת החומרים). מכשיר הדמיה אחד מסוגל להדמיה של לוחות זכוכית מסוג שלב מעוקב שומנים (LCP) ומכשיר הדמיה אחד מצויד באופטיקה רב-פלואורסצנטית (שניהם בטמפרטורה של 20°C).
המתקן נמצא כיום בשימוש נרחב על ידי ספקטרום רחב של משתמשים אקדמיים ותעשייתיים, כולל מעבדת חלבון הממברנה (MPL; https://www.diamond.ac.uk/Instruments/Mx/MPL.html), מתקן הקרנת שברי XChem 10, אלומות MX, רכזת XFEL, כמו גם מכון רוזלינד פרנקלין (RFI). צנרת מבוססת וממוטבת זו אפשרה לבצע ניסויי התגבשות במגוון רחב של פרויקטים בתחום הביולוגיה המבנית. מאמר זה מתאר את הצינור עבור גבישים המיועדים לאיסוף נתונים ב-VMXi, אם כי ניתן גם לקצור גבישים ולקרר אותם בהקפאה או להפנות אותם לצנרת XChem.
גישת המשתמשים מוקצית באמצעות מערכת ההצעות Diamond MX (https://www.diamond.ac.uk/Instruments/Mx/Synchrotron-Access.html) ומשתמשים תעשייתיים נתמכים באמצעות קבוצת הקישור לתעשיית היהלומים. כל המשתמשים יכולים להגיע לאתר עם הדגימות או הצלחות שלהם, אשר ניתן להעביר ביד. לא מומלץ לשלוח צלחות באמצעות שליח מכיוון שהניסיון שלנו מצביע על כך שטיפות יכולות להתרחק מהמקום בו חולקו, או שהטיפות עלולות להיפגע ממאגר ההתגבשות. לחלופין, על פי הסדר, משתמשים יכולים לשלוח את דגימות החלבון שלהם ל-CF, שם חברי הצוות עורכים ניסויי התגבשות מטעמם. הניסויים יכולים להיות מנוטרים מרחוק על ידי המשתמש על ידי כניסה לאינטרנט Rock Maker במקרה של CF או באמצעות ISPyB במקרה של VMXi. הגישה ל-CF יכולה להתבצע באופן איטרטיבי בהתבסס על תוצאות עקיפה של קרני רנטגן שנאספו בדיאמונד.
Beamline VMXi ב-Diamond Light Source
Beamline VMXi (להלן “קו האלומה”) הוא מכשיר ייחודי שפותח לאחרונה המוקדש במלואו לקריסטלוגרפיה אוטומטית ביותר של קרני רנטגן בטמפרטורת החדר, עם דגש על מדידת נתונים מגבישים בתוך לוחות התגבשות מתאימים. קו האלומה מציע מיקרו פוקוס (10 x 10 מיקרומטר), קרן ורודה (מעבר פס של <5 × 10-2ΔE/E) עם שטף גבוה של ~2 × 1013 פוטונים לשנייה (ב 16 KeV)7. אלומת שטף גבוהה זו, יחד עם גלאי מהיר, מאפשרת תפוקה גבוהה מאוד של דגימות ואיסוף נתונים מדגימות בגודל של למעלה מ-10 מיקרומטר.
לוחות התגבשות נכנסים לקו האלומה על ידי אחסון במערכת אחסון לדוגמה ומצולמים על פי לוח הזמנים שסופק על ידי המשתמש בעת רישום הלוחות באמצעות ממשק ISPyB11 SynchWeb12. בדרך כלל, מומלץ למשתמשים לבחור רצף פיבונאצ’י של נקודות זמן להדמיה (0, 12, 24, 36, 60… 7,320 שעות מכניסת הצלחת למערכת). המשתמש מקבל הודעה בדוא”ל לאחר צילום לוחית. הן אור נראה והן הדמיית אור UV זמינים למשתמשים לפי דרישה. התמונות שצולמו על ידי מערכת אחסון הדגימות מנותחות על ידי אלגוריתם למידת מכונה; פעולה זו מאתרת ומגדירה באופן אוטומטי נקודות עניין של אובייקטים הדומים לגבישים ורושמת את נקודות העניין המוכנות להוספה לתור לאיסוף נתונים. משתמשים יכולים גם ללחוץ ידנית על תמונות האור הנראה כדי לרשום נקודות עניין או יכולים ללחוץ ולגרור אזור לניתוח על ידי סריקת רסטר. נקודות אלה זמינות למשתמשים כדי להוסיף לתור לצד הנקודות הממוקמות באופן אוטומטי.
ברגע שלכל הדגימות יש פרמטרים מתאימים לאיסוף נתונים, הלוח נכנס לתור. כאשר הצלחת מגיעה לראש התור, היא מועברת אוטומטית לקו הקורה. לוחות ההתגבשות נטענים ממלונות הגביש אל קו האלומה באופן אוטומטי על ידי זרוע רובוטית, ולאחר התאמת תמונות נמדדים מערכי נתונים קריסטלוגרפיים של עד 60° סיבוב מכל גביש שנבחר בהתאם להוראות שהוגדרו על-ידי המשתמש. ניתן להשתמש בכל הטיפות בתוך צלחת לניסויים אלה על קו הקורה. הנתונים מתמזגים מגבישים מרובים כדי לייצר ערכות נתונים איזומורפיות הממוזגות בצורה אופטימלית באופן אוטומטי 7,9. לאחר איסוף כל ערכות הנתונים בתור, המשתמש נשלח הודעת דוא”ל עם קישור לעקוב אחריו כדי להציג את ערכות הנתונים ב- ISPyB11, כמו באלומות אחרות של Diamond MX. המשתמשים מופנים גם לדף האינטרנט beamline (https://www.diamond.ac.uk/Instruments/Mx/VMXi.html).
תיארנו את ההליך המלא מהגעת דגימת חלבון ב- CF ועד להורדת הנתונים הסופיים על ידי המשתמש ליישומים נוספים. שלבים קריטיים הם ייצור דגימת חלבון איכותית ומסכי גבישים מתאימים, בין אם באמצעות מסכי מטריצה דלילים מסחריים או מסכי אופטימיזציה המבוססים על תנאים שנקבעו. תהליך זה עשוי להתרחש ב- CF, או שהמשתמשים יכולים לבצע את הליכי ההתגבשות במעבדות הביתיות ולהביא לוחות התגבשות מתאימים לקו הקורה. זיהוי פרמטרים מתאימים לאיסוף נתונים עשוי להיות חשוב עבור דגימות מסוימות, במיוחד כאשר קיים חשש לנזקי קרינה. ברוב המקרים, עיבוד נתונים אוטומטי מספיק לחלוטין כדי לענות על השאלה המדעית, אם כי המשתמשים שומרים על היכולת לעבד מחדש באמצעות כלי אלומה, למשל, כאשר קבוצת החלל מעורפלת או רק החלק הראשוני של הנתונים שנאספו משמש כדי למזער את השפעות נזקי הקרינה.
אם גבישים מתאימים אינם מיוצרים מניסויי התגבשות ראשוניים, ניתן לבחון שינויים בריכוז, בטוהר או במסכי התגבשות, כמו גם בשימוש בזריעת גבישים. אם גבישים אינם מתפצלים לרזולוציה שימושית בקו האלומה, ניתן להשתמש בסריקות רשת עם קרן לא מאוישת כדי להעריך את גבול העקיפה האינהרנטי ואת תא היחידה של הגבישים כדי להנחות את מאמצי האופטימיזציה. גבישים קטנים מדי לאיסוף נתונים בתוך לוחות (למשל, <10 מיקרומטר) עשויים במקום זאת להתאים לקריסטלוגרפיה טורית או לניסויי ננו פוקוס (למשל, בקרן יהלום VMXm). פתרון מבנים באמצעות נתוני VMXi הוא בדרך כלל פשוט על ידי החלפה מולקולרית, במיוחד מאז הופעתו של Alphafold16 כדי לתת מודלים יעילים לחיפוש. אם פעולה זו אינה מצליחה, ניתן לקצור גבישים ולהתקרר בהקפאה מלוחות כדי לאפשר עקיפה חריגה קונבנציונלית באורך גל יחיד, עקיפה חריגה רב-אורכית או ניסויי פאזינג באורכי גל ארוכים.
יתרונותיה של שיטה זו כוללים את היכולת לקבל מערכי נתונים ומשוב מהירים ואיכותיים ישירות מלוחות התגבשות ללא צורך להפריע לגבישים מהסביבות בהן גדלו. מה שמכונה “רנסנס טמפרטורת החדר” בביולוגיה מבנית מציב פרמיה על מבנים המתקבלים בתנאים לא קריוגניים כדי לאפשר יותר רלוונטיות פיזיולוגית ודינמיקה של חלבונים להיחקר2. בדרך כלל, מושגת רזולוציה מעט נמוכה יותר מאשר עבור גביש קריו-מקורר אופטימלי, אך רק כאשר נקבעו תנאי קריו-קירור מתאימים ואם הגבישים עמידים לטיפול מכני ולפתיחה של טיפת ההתגבשות3. יישום עתידי שעבורו צינור זה מתאים מאוד הוא סינון בקנה מידה גדול של קומפלקסים של ליגנד חלבונים או קמפיינים של פרגמנטים בטמפרטורת החדר בגילוי תרופות. ליגנדות או שברים יכולים להיות מגובשים או מוספים על ידי פיפטה או פליטת טיפה אקוסטית לפני איסוף נתונים בטמפרטורת החדר. יישום נוסף הוא למדוד במהירות נתונים ממאות או אלפי גבישים בצורה יעילה ביותר ולאחר מכן להשתמש בתוכנת DIALS17 multiplex14 כדי לחלץ צבירים איזומורפיים שעשויים לייצג ישויות ביולוגיות שונות או לקבוע הבדלים מובהקים סטטיסטית בין אוכלוסיות של גבישים שטופלו בדרך שונה או נחשפו לליגנדות או אותות שונים.
The authors have nothing to disclose.
אנו מודים למדעני מקור אור היהלום ולחברי צוות התמיכה הרבים שתרמו לתכנון, לבנייה ולתפעול של קו האלומה של VMXi. אנו אסירי תודה למשתמשי beamline, שתרמו רעיונות בהמשך לפיתוח צינורות ההתגבשות ואיסוף הנתונים. מתקן ההתגבשות בהארוול נתמך על ידי Diamond Light Source Ltd, מכון רוזלינד פרנקלין והמועצה למחקר רפואי.
Formulator | Formulatrix | on request | Liquid handling robot |
Formulatrix imager | Formulatrix | on request | Crystallisation plate imager |
Greiner CrystalQuick X | Greiner | Z617644 | Crystallisation plate |
Gryphon | Art Robbins Instruments | 620-1000-10 | Crystalisation robot |
MiTeGen Insitu-1 | Mitegen | InSitu-01CL-40 | Crystallisation plate |
Mosquito LCP | (SPT Labtech) | on request | Crystallisation robot |
Rock Imager & Maker | Formualtrix | on request |
Software for Imager [1] https://formulatrix.com/protein-crystallization-systems/rock-maker-crystallization-software/ |
Scorpion | Art Robbins Instruments | 640-1000-10 |
Liquid handling robot https://www.artrobbins.com/scorpion |