Aqui, descrevemos como usar os dutos de cristalografia macromolecular automatizados para análises de proteínas para estrutura, análise rápida do complexo ligante-proteína e triagem de fragmentos em larga escala com base na tecnologia CrystalDirect no Laboratório HTX em EMBL Grenoble.
A EMBL Grenoble opera o High Throughput Crystallization Laboratory (HTX Lab), uma instalação de usuário em larga escala que oferece serviços de cristalografia de alto rendimento para usuários em todo o mundo. O laboratório HTX tem um forte foco no desenvolvimento de novos métodos na cristalografia macromolecular. Através da combinação de uma plataforma de cristalização de alto rendimento, a tecnologia CrystalDirect para montagem e criocoolização de cristais totalmente automatizadas e o software CRIMS desenvolvemos pipelines totalmente automatizados para cristalografia macromolecular que podem ser operados remotamente pela internet. Estes incluem um pipeline de proteína para estrutura para a determinação de novas estruturas, um pipeline para a caracterização rápida de complexos de ligantes proteicos em apoio à química medicinal, e um pipeline de triagem de fragmentos automatizado em larga escala permitindo a avaliação de bibliotecas de mais de 1000 fragmentos. Aqui descrevemos como acessar e usar esses recursos.
A automação foi introduzida em todas as etapas do processo experimental de cristalografia macromolecular, desde a cristalização até a coleta e processamento de dados de difração1,2,3,4,5,6,7,8,9, incluindo uma série de tecnologias para montagem amostral10,11,12 ,13,14,15,16,17. Isso não só acelerou o ritmo em que as estruturas cristalográficas são obtidas, mas contribuiu para simplificar aplicações como o projeto de medicamentos guiados por estrutura18,19,20,21,22,23,24. Neste manuscrito descrevemos alguns dos aspectos dos gasodutos de cristalização automatizados disponíveis no laboratório HTX em Grenoble, bem como as tecnologias subjacentes.
O laboratório HTX da EMBL Grenoble é uma das maiores instalações acadêmicas para triagem de cristalização na Europa. É co-localizada no campus europeu de Fóton e Nêutron (EPN) em conjunto com o European Synchrotron Radiation Facility (ESRF), que produz alguns dos mais brilhantes raios-X do mundo e o Institut Laue Langevin (III), que fornece feixes de nêutrons de alto fluxo. Desde o início das operações, em 2003, o laboratório HTX forneceu serviços para mais de 800 cientistas e processa mais de 1000 amostras por ano. O laboratório HTX tem um forte foco no desenvolvimento de novos métodos na cristalografia macromolecular, incluindo métodos para avaliação de amostras e controle de qualidade25,26 e a tecnologia CrystalDirect, permitindo a montagem e processamento de cristais totalmente automatizados15,16,17. O laboratório HTX também desenvolveu o Crystallographic Information Management System (CRIMS), um sistema de informações laboratoriais baseado na Web que fornece comunicação automatizada entre instalações de cristalização e coleta de dados síncrotrons, permitindo o fluxo de informações ininterruptas durante todo o ciclo amostral, desde proteína pura até dados de difração. Através da combinação das capacidades da instalação HTX, da tecnologia CrystalDirect e do software CRIMS, desenvolvemos dutos de proteína totalmente automatizados integrando triagem de cristalização, otimização de cristais, processamento automatizado de coleta de cristais e coleta de dados de criocooling e raios-X em múltiplos síncrotrons em um fluxo de trabalho único e contínuo que pode ser operado remotamente através de um navegador web. Esses gasodutos podem ser aplicados para apoiar a rápida determinação de novas estruturas, a caracterização de complexos de ligantes proteicos e triagem composta e fragmentada em larga escala através da cristalografia de raios-X.
O laboratório HTX é equipado com um robô de cristalização não volume (incluindo um módulo LCP que permite a cristalização de proteínas solúveis e membranas), fazendas de cristal (a 5 °C e 20 °C), duas estações robóticas de manuseio líquido para preparar telas de cristalização e duas colheitadeiras de cristal cristalizadas automatizadas com capacidade para produzir e armazenar até 400 pinos de amostra congelados por ciclo de operação. Os cientistas enviam suas amostras para a instalação pelo express courier, que são então processados por técnicos dedicados no laboratório HTX. Os cientistas podem projetar remotamente experimentos de triagem e otimização de cristalização através de uma interface web fornecida pelo sistema CRIMS. Através desta interface, eles podem escolher entre uma ampla gama de parâmetros e protocolos experimentais disponíveis na instalação para se adequar aos seus requisitos específicos de amostra. Os resultados em conjunto com todos os parâmetros experimentais são disponibilizados aos usuários em tempo real através do CRIMS. Todas as amostras recebidas são avaliadas através de um método especificamente desenvolvido que permite estimar a probabilidade de cristalização da amostra25,26,27. Com base nos resultados deste ensaio, recomendações específicas são feitas aos usuários sobre a temperatura ideal de incubação e possíveis experimentos de otimização da amostra. Uma vez que os experimentos de cristalização são configurados, o cientista pode avaliar os resultados olhando para imagens de cristalização coletadas em diferentes pontos de tempo através da web. Quando cristais adequados para experimentos de difração de raios-X são identificados, os cientistas podem usar uma interface dedicada para estabelecer um plano de montagem de cristal que será então executado pelo robô CrystalDirect.
A tecnologia CrystalDirect baseia-se no uso de uma microplacamento de cristalização de vapor modificado e um raio laser para montar e amostras de cristal crio-cool em suportes compatíveis com difração fechando a lacuna de automação existente entre cristalização e coleta de dados15,16,17. Resumidamente, os cristais são cultivados em uma placa de difusão de vapor modificada, a microplacão CrystalDirect. Uma vez que os cristais aparecem, o robô de colheita CrystalDirect aplica automaticamente um raio laser para extirpar uma peça de filme contendo o cristal, anexá-lo a um pino padrão de coleta de dados de difração e resfriá-lo em um fluxo de gás nitrogênio (ver Zander et al. 2016 e https://www.youtube.com/watch?v=Nk2jQ5s7Xx8 ). Esta tecnologia tem uma série de vantagens adicionais sobre protocolos manuais ou semi-automatizados de montagem de cristais. Por exemplo, o tamanho e a forma dos cristais não é um problema, tornando igualmente fácil a colheita de cristais grandes ou microcristais, muitas vezes é possível evitar o uso de crio-protetores, devido à maneira especial pela qual a tecnologia opera (ver referência 17, Zander et al.), tornando a análise de difração de raios-X muito mais simples. O raio laser também pode ser usado como uma ferramenta cirúrgica para selecionar as melhores partes de uma amostra quando cristais crescem em clusters ou mostram crescimento epitaxial, por exemplo. A tecnologia CrystalDirect também pode ser usada para experimentos automatizados de imersão17. Entrega de soluções com pequenas moléculas ou outros produtos químicos para cristais. Assim, permite suportar a triagem de compostos e fragmentos totalmente automatizados, em larga escala. Uma vez que os cristais são colhidos e criocoolados pelo robô CrystalDirect, eles são transferidos para discos SPINE ou Unipuck que são compatíveis com a maioria dos feixes de cristalografia macromolecular sincronia em todo o mundo. O sistema pode colher até 400 pinos (a capacidade do armazenamento criogênico Dewar) de forma totalmente autônoma. O CRIMS se comunica com o robô colheitadeira durante o processo e fornece rastreamento automatizado de amostras de cristal (discos e pinos). Os discos são marcados com códigos de barras e tags RFID para facilitar o gerenciamento de amostras21,28.
O CRIMS fornece uma interface de programa de aplicativos (API) que suporta comunicação automatizada com o sistema ISPyB que suporta o gerenciamento e processamento de coleta de dados de raios-X em muitos síncrotrons na Europa e no mundo29. Após a coleta automatizada de cristais ser concluída, os cientistas podem selecionar amostras de cristal (discos) e criar remessas de amostras para as linhas de cristalografia macromolecular no ESRF (Grenoble, França)7,8,9 ou Petra III síncrotrons (Hamburgo, Alemanha)18,19. O CRIMS transfere os dados correspondentes às amostras de linha de feixe selecionadas para o sistema de informações síncrotrons, juntamente com parâmetros de coleta de dados pré-selecionados. Uma vez que as amostras chegam à linha de feixe síncrotron selecionada, a coleta de dados de raios-X é realizada manualmente, através da operação de linha de feixe remota ou de forma totalmente automatizada (ou seja, na linha de feixe MASSIF-1 do ESRF8 operada pelo Grupo conjunto de Biologia Estrutural EmBL ESRF (JSBG)). Após a coleta de dados, o CRIMS recupera automaticamente informações sobre os resultados da coleta de dados, juntamente com os resultados iniciais de processamento de dados realizados pelos sistemas de processamento de dados síncrotrons e os apresenta ao cientista através de uma interface de usuário conveniente.
O laboratório HTX aplica esses gasodutos automatizados para suportar três aplicações diferentes, determinações rápidas de novas estruturas, caracterização rápida de complexos de ligantes proteicos e triagem composta e fragmentada em larga escala. Abaixo descrevemos como usá-los e operá-los.
Os gasodutos automatizados de cristalografia descritos aqui estão disponíveis para pesquisadores em todo o mundo através de diferentes programas de financiamento. Atualmente, o acesso financiado para experimentos de cristalização e a tecnologia CrystalDirect pode ser obtido aplicando-se ao programa iNEXT Discovery e ao INSTRUCT-ERIC, enquanto o acesso a linhas de cristalografia macromolecular no ESRF é suportado através do programa de acesso ao usuário do ESRF. Essa abordagem minimiza o atraso entre o crescimento e a medição do cristal, acelerando a progressão de projetos muito desafiadores que requerem otimização baseada em difração das condições de produção e cristalização de proteínas e libera os cientistas de operações complexas associadas à cristalização, manuseio de cristais e operação de linha de luz, tornando a cristalografia mais acessível a grupos não especialistas. Também pode ser usado para a rápida exploração de aditivos de cristalização, agentes de eliminação ou para triagem composta através de experimentos de co-cristalização. Embora a maioria dos projetos de cristalografia possam potencialmente se beneficiar dessa abordagem, algumas amostras podem exigir protocolos especiais não favoráveis à automação ou aos gasodutos aqui apresentados, por exemplo aqueles que requerem sistemas microfluidos ou dispositivos de cristalização altamente especializados ou amostras que são extremamente labile e não tolerariam a remessa.
A tecnologia CrystalDirect também permite a imersão automatizada de cristais17 para a caracterização de pequenos complexos de alvo de moléculas. Para isso, uma pequena abertura é criada com o laser antes do processo de colheita e uma gota de uma solução contendo os produtos químicos desejados (ou seja, agentes de corte ou potenciais ligantes) é adicionada em cima, de modo que entre em contato com, e difundir na solução de cristalização eventualmente atingindo o cristal. Soluções químicas podem ser formuladas em água, DMSO ou outros solventes orgânicos. Após um certo tempo de incubação, os cristais podem ser colhidos e analisados por difração como descrito acima. Esta abordagem tem sido aplicada à caracterização rápida de complexos ligantes-proteínas no contexto do design de medicamentos baseados em estrutura, bem como à triagem de compostos e fragmentos em larga escala. Neste último caso, bibliotecas fragmentadas com centenas a mais de mil fragmentos podem ser rapidamente analisadas. Interfaces específicas de CRIMS não apresentadas aqui facilitam o design e o rastreamento automatizado de experimentos de imersão de cristais, enquanto a integração entre o software CRIMS e o conjunto de software Pipedream, desenvolvido pela Global Phasing Ltd (Reino Unido) permitem o processamento automatizado de dados, o processamento de dados, a identificação de ligantes e o refinamento da estrutura sobre centenas de conjuntos de dados em paralelo, simplificando a análise e interpretação de dados32,33 . Por exemplo, este oleoduto foi recentemente aplicado à identificação de fragmentos que ligam tanto ao local ativo quanto a vários sítios alusicos de Trypanosoma brucei farnesyl pyrophosphate synthase, uma enzima-chave do parasita que causa triplosomiase africana humana.
Os gasodutos aqui apresentados podem contribuir para acelerar o ritmo de descoberta na biologia estrutural e tornar a cristalografia macromolecular mais acessível a um número maior de grupos de pesquisa. Além disso, ao facilitar a triagem de compostos e fragmentos em larga escala, eles podem contribuir para fomentar a pesquisa translacional e acelerar o processo de descoberta de drogas, contribuindo para facilitar o desenvolvimento de drogas melhores e mais seguras contra um número maior de alvos.
The authors have nothing to disclose.
Queremos agradecer ao Grupo conjunto de Biologia Estrutural DA EMBL-ESRF (JSBG) pelo apoio no uso e operação das linhas de feixes macromoleculares da ESRF. Agradecemos a Matthew Bowler pelo apoio com coleta de dados na linha de feixe MASSIF-1 da ESRF e Thomas Schneider e da EQUIPE EMBL Hamburgo pelo excelente suporte com coleta de dados em P14 do síncrotron PetraIII (DESY, Hamburgo, Alemanha). A colheitadeira CrystalDirect é desenvolvida em colaboração com a Equipe de Instrumentação da EMBL Grenoble. Este projeto foi apoiado por financiamento do Programa Comunidade EuropeiaH2020 nos projetos iNEXT (Grant No 653706) e iNEXT Discovery (Grant No 871037), bem como o Région Auvergne-Rhône-Alpes através do programa Booster.
CrystalDirect harvester | Arinax | Automated crystal mounting and cryocooling | |
CrystalDirect Crystallization plate | Mitegen | SKU: M-XDIR-96-2 | 96-well crytsallization microplate |
Formulator 16 | Formulatrix | For the autoamted preparation of crystallization screens | |
Mosquito crystallization Robot | SPT Labtech | For the preparation of crystallization experiments | |
Tecan Evo Liquid handling station | Tecan | For the preparation of crystallization solutions | |
Spine Pucks | Mitegen | SKU: M-SP-SC3-1 | SPINE-compatible cryogenic pucks for automated synchrotron sample exchangers |
UniPucks | Mitegen | SKU: M-CP-111-021 | Universal cryogenic pucks for automated synchrotron sample exchangers |