タンパク質の結晶化制御用プロトコルをご紹介します。プロセスは、いくつかの結晶化パラメーターの制御操作をできるように自動化されたデバイスを使用します。タンパク質の結晶化が行われてアウト監視および結晶化液滴の粒子径分布を調査しながら結晶化ソリューションの制御と自動添加による。
自動結晶化装置は、特に核生成と所望のサイズに向かって蛋白質結晶の結晶成長を正確に操縦する目的でのタンパク質結晶化実験の監視のために開発特許取得済み技術1です。液滴のすべての視覚変更ができフル CCD カメラに結合された顕微鏡の助けを借りて、オンラインで監視しながら制御された結晶化がサンプル調査をその場で動的光散乱 (DL) に基づきます結晶化のすべての段階の間に蛋白質の液滴の調査。その場でDL 測定実験全体を通じて新しい相-結晶核の形成に移行高過飽和タンパク質溶液の正確な同定を使用します。タンパク質核形成の段階を識別することによって蛋白質微結晶の生産に、大規模なタンパク質結晶から結晶化を最適化できます。実験的プロトコルを示し、インタラクティブな結晶化誘発高過飽和の水分蒸発、沈殿等正確な自動手順に基づく減速のサンプル希釈による均一核生成や相転移を逆転させます。
最後の数年間、蛋白質マイクロとナノ結晶の成長は、シリアル フェムト秒結晶構造解析 (特撮) の連続的な開発、特にタンパク質結晶構造解析コミュニティの注目を集めています。新規 x 線の輝きのため放射線源し、これまでのところ、得られた成功の結果に基づいて蛋白質マイクロ生産と関連性が高い、そのような結晶懸濁液の準備の需要が高いポーズ ナノ結晶となっています。2,3。 自由電子レーザー (Xfel) でのデータ収集、実験課題の限られた供給のために必要な、小さな結晶・ サイズの範囲のためのデータ収集の前にサンプルの評価は不可欠です。タンパク質マイクロやナノ結晶懸濁液の特性に最も一般的な手法は、今電子顕微鏡と x 線粉末回折までです。
これまでのところ、いくつかのアプローチは、小さなマイクロ メートルの範囲内の寸法によるタンパク質結晶のバルク量を生成する目的で一般的な結晶化方法から適応されています。バッチは、高速混合高濃縮タンパク質の沈殿のソリューションは、このように高過飽和相ナノ結晶化が支持された4をする可能性がありますに試料溶液を強制的に用いられます。他の方法は、データ コレクション5に使用するナノ結晶懸濁液として役立つことができる結晶スラリーを形成する大規模なタンパク質結晶を粉砕など。ただし、成果もあります減少回折品質劣化した結晶が内部下位。自由界面拡散に基づくナノ結晶化はまた利用できる代わりに、タンパク質溶液が高い沈殿溶液3に少量の追加は。ただし、すべての技術の中で最も効率的な方法は表示バッチ晶析と滴6に座っての蒸気拡散法を使用してより多くの革新的な整体技術。
一般に、蛋白質の結晶化のエネルギー障壁は核生成 – 結晶形成の最初の熱力学的ステップをサポートする越える必要があります。熱力学的に不安定状態からタンパク質溶液を過飽和に移動するため、最後に相転移を誘発するタンパク質溶液に関連するいくつかの変数を変更する必要します。このような変数は、通常、環境の変化、蛋白質溶液の濃度 (e.g、温度、湿度)、溶媒の特性 (例えば、pH、イオン強度)、濃度およびバッファー プロパティ、等7。 ,8変更できるサンプル パラメーターの概要は通常溶解度図、核相図、またはさらに詳細など、プレゼンテーションの別のモードを許可する相図によって表される三次元またはより複雑な図が考察8,9,10に来ることができる場所の説明を。最も魅力的な種類の相図は、残りのパラメーターが定数6,11を維持しながら、主要な変数が別のパラメーターの関数として蛋白質の集中通常二次元。1 つまたは少数の核が形成されると、一度大きな結晶は一括ソリューションから付加的な蛋白質をとることによって育てることができます。マイクロ ・ ナノ微粒子の生産を目指し、時このような従来の結晶化のアプローチは、ソリューションに存在する結晶の数が少ないためもう不可能です。ナノ結晶懸濁液は通常結晶化経路は、そのサンプルに存在する核生成イベントのマキシマ手直しが持っていますこのように結晶エンティティで金持ちになるあります。その結果、蛋白質はまたまだない完全理解12,13今未踏の核生成経路まで新しい、いくつかの調査が必要です。前述相図の基礎をもとに、古典的な理論に拡張されている新しい仮説核が二段階機構として記載されている: 最初より高い蛋白質の集中への移行が行われる (密な液体相) と第二に、密度の高い豊富な段階からより高い内部順序 (結晶核格子アーキテクチャ)14,15,16への移行。タンパク質の結晶は、多くの要因に敏感、従って結晶化のレシピは、異なるサイズの結晶が発生する再調整されるとき、レシピことはできません常に頼る以前の知識。新しい洞察力を個々 の蛋白質ターゲットごとに確立する必要: バッファー組成、純度、タンパク質の溶解度等のサンプルでは、正確な知識の安定性の調整。
動的光散乱法が今日確立法調査することができる粒子の幅広いサイズ範囲のための蛋白質結晶化プロセスの解析と最適化: ナノ結晶と小さな微結晶に単量体蛋白質から。メソッドは、溶液中の粒子がブラウン運動を受けるし、媒体とパーティクル ジオメトリの粘度、粒子サイズ、熱エネルギーによって、この運動の平均速度が決定されることを悪用します。最初は、液体培地はレーザーを用いるコヒーレント光源に照らされました。粒子からの散乱光は干渉縞を形成します。粒子は、恒久的な運動で、干渉パターンはまた、永続的に変更します。一定の方向に見て、強度の変動が観察できます。これらの変動は今の量子ブラウン運動による粒子の動きを示しています。強度変動から自己相関関数 (ACF) が計算されます。ACF の分析は粒子のストークス アインシュタイン方程式を用いた速度分布 (より正確には拡散係数) の測定を与える、粒子半径分布17に変換されます。様々 な出版物や書籍18,19DL 機能と動作原理に関連する追加情報を見つけることが。
ここで適用し、ユニークな自動結晶化装置、XtalController900、XtalController 技術6、正確にインタラクティブなタンパク質結晶化実験の監視のために開発のアップグレードされたバージョンをについて説明します。この手法は、識別と核生成イベントをリアルタイムでの追跡、結晶相図によって正確な操縦できるように潜在的な高を示しています。この特定の結晶化手順の目的は、高品質タンパク質マイクロとナノ結晶シンクロトロンのマイクロ フォーカス x 線源、電子線回折を利用するアプリケーションに適した取得する蛋白質の結晶化を最適化するために、特撮。
結晶化デバイスは、監視し、変更された蒸気拡散法に基づく結晶化実験中の重要なパラメーターを操作する設計されています。このテクニックにより、監視およびスコアの正確な知識と結晶相図を通して蛋白質の解決の制御を持っているユーザーを有効にするすべての段階でのタンパク質結晶成長実験に基づいてその場でDL 解析サンプルの停止。
結晶化デバイスには、結晶粒のリアルタイム監視ができる CCD カメラに接続して実験室 (図 1) が装備されています。カメラは、最大約 2.5 μ m の空間分解能を提供する倍率の異なるレンズを搭載した顕微鏡に合わせられます。実験室のコアは、時間をかけてサンプル重量の進化を追跡するための超高感度天秤です。結晶化の手順は、天秤になっているシリコーン coverslip の蛋白質のドロップを配置する場所に座ってドロップ蒸気拡散実験に対応します。沈殿追加、水/添加剤の添加、またはサンプルの蒸発によって引き起こされる、液滴の体重の変化に基づいて、天秤鉛塩法とタンパク質濃度の経年の即時の計算のアルゴリズムへの正確な入力を与える.さらに、温度、相対湿度など重要な結晶化パラメーターは正確に監視、制御します。
結晶化実験を実行するためにデバイスに鉛塩法と水添加の picoliter スケールで働く 2 つのマイクロ投与システム (お問い合わせ無料圧電ポンプ) が備わっています。このような微量物質と協力して、濃度勾配およびタンパク質液滴内で対流現象が最小します。圧電ポンプの主な役割は、鉛塩法や水、たとえばタンパク質液滴の自然蒸発のための補償として使用されている後者の追加です。マイクロ計量装置物質の追加を指示することができますの機能のセットがあります。このような機能が含まれます: 液滴の数を 1 秒、幅など、物質ストリーム軌道の高さ追加、物質を追加する繰り返し。また、ポンプの位置手動で調整できます、タンパク質液滴への物質の添加の正確な位置を持っているユーザーを有効にします。
その場でDLS データ、実験プロシージャ全体でタンパク質のオリゴマーの状態に可能な変更を示すことができる結晶化ドロップのユニークなフィードバック制御を用いた操作を実現します。テクニックには、粒度分布、時間をかけてこのように未知タンパク質関連メカニズムを明らかの一定の評価ができます。DLS 光学機器は、coverslip を通過し、その場で方法で蛋白質液滴をさらに検出器とレーザーのビームをできるように coverslip 領域の下に戦略的に配置、したがって、DL パスから液滴内の変更だけが記録されます。簡単に処理できるように、デバイスに 2 つの開口部がある: ユーザーがマイクロ計量装置の撮影位置を調整できるように、coverslip ・削除できる上蓋の最適な位置決めと同様、設定精度を持つ新しい蛋白質 dro の正面玄関上、plet。
前述のデバイスを使用してインタラクティブな結晶化法は、タンパク質の結晶サイズ制御生産のため信頼性の高い手法です。結晶化の多くの方法は、現在利用できるが、結晶化に関する内部情報機構自体は簡単に達成可能であります。一般に、従来手法を適用すると、結晶相図、実験が開始されたら、そのコースを変更するいくつかの可能性だけでソリューションのだけ限られた制御をできます。結晶中実験し、相図における遷移に関する知識を得られるその場でDL、素晴らしいと相まってこのようなの自動結晶化技術を適用します。一般に、非晶質沈殿物と同質な核形成の誘導結果領域は、相図の互いの近くにあります。したがって、その粒子分布に関するリアルタイムな情報に基づく結晶化液滴のコースを操作することによって徐々 に核に向かって結晶化条件を調整することによって、蛋白質の沈殿物を避けるために不可能だと結晶形成。
今日では、多くの結晶化条件にはポリエチレング リコール (PEG) 誘導体が広く存在している沈殿のソリューションが含まれます。このような化合物は通常、ピペッティングや調剤のための困難を持っていることが高い粘性を持ちます。本事例研究で沈殿の調剤に使用されるマイクロ計量装置は picolitre 単位の追加を可能にする非常に細い毛細血管を適用します。その結果、粘性の高い物質の使用にいくつかの制限があります。過去の実験の一連のシステムは、次の PEG 誘導体を使用して肯定的な結果を与えている: PEG200 PEG3000 50%、20%、PEG6000 10%、PEG800010%。前述のソリューションのみを調べたところ、マイクロ投与システムにはソリューションの粘度を減少させるために使用できる特別な加熱機構が含まれて。別の要因は、タンパク質沈殿として使用する場合に考慮されなければならない塩のソリューションです。沈殿の追加; マイクロ-充填ポンプの表面的なブロッキングの原因微小量システムのノズルで少量が結晶化高濃度塩類を使用する場合相対湿度が非常に高い場合でも、実験室で提示します。この問題を克服するために実験をノズルから塩を削除することができますので、保留する必要があります。これは特別な処理を必要とする可能性があり、沈殿追加段階でエラーを生成可能性があります。
このような自動結晶化実験を行う際に達成することができます貴重な情報に基づき、この手法は結晶の物理化学の側面を調査研究するよう拡張することも。核形成と結晶成長の反応速度が派生し、沈殿と温度、粒子サイズ、および蛋白質の成長など実験から示されている時間依存情報に基づいて計算することができます運動現象濃度。
The authors have nothing to disclose.
著者は欧州連合のホライゾン 2020年研究所とマリー ・ マリアスクウォドフスカ キュリー頭字語「X プローブ」契約番号 637295 とサポートを介して BMBF グラント 05K16GUA や、”、ハンブルク中心部の超高速の下で革新プログラムからの資金を認めるイメージング-構造、ダイナミクス、原子スケールでの物質のコントロール”卓越したクラスターのドイツ研究振興協会 (DFG)。
Thaumatin from Thaumatococcus daniellii | Sigma-Aldrich | 1002365940 | Protein for protocol |
Bis-Tris 14880 | Sigma-Aldrich | 2302377 | Buffer for protein solution |
di-Sodium tartrate dihydrate | AppliChem | A0451,0500 | Precipitant for protein solution |
Silliconized coverslips | Heinz Herenz Medizinalbedarf GmbH | 1051203 | Coverslips for crystallization |
Syringe filter | Starstedt | 831826001 | Filter pore 0.2 µm |
Syringe | Omnifix | 4617207V | Luer Lock Solo 20 mL |
Paraffin oil | Sigma-Aldrich | 2323842 | Oil for coating the plate |
Standard Terakasi plate | Sigma-Aldrich | M5812270EA | Plate for recovering the crystallization droplet |
Soft wipes | KIMTECH Science | ||
XtalController900 | Xtal-Concepts GmbH | XTC900 | Crystallization device |