Aquí, describimos cómo utilizar las tuberías automatizadas de cristalografía macromolecular para el análisis rápido de complejos de ligando-proteína y proteína de proteína a proteína y el cribado de fragmentos a gran escala basado en la tecnología CrystalDirect en el Laboratorio HTX en EMBL Grenoble.
EMBL Grenoble opera el Laboratorio de Cristalización de Alto Rendimiento (HTX Lab), una instalación de usuario a gran escala que ofrece servicios de cristalografía de alto rendimiento a usuarios de todo el mundo. El laboratorio HTX tiene un fuerte enfoque en el desarrollo de nuevos métodos en cristalografía macromolecular. A través de la combinación de una plataforma de cristalización de alto rendimiento, la tecnología CrystalDirect para el montaje y crioenlace de cristales totalmente automatizado y el software CRIMS, hemos desarrollado tuberías totalmente automatizadas para cristalografía macromolecular que se pueden operar de forma remota a través de Internet. Estos incluyen una tubería de proteína a estructura para la determinación de nuevas estructuras, una tubería para la caracterización rápida de complejos de proteínas-ligandos en apoyo de la química medicinal y una tubería de detección de fragmentos automatizada a gran escala que permite la evaluación de bibliotecas de más de 1000 fragmentos. Aquí describimos cómo acceder y utilizar estos recursos.
La automatización se ha introducido en todos los pasos del proceso experimental de cristalografía macromolecular, desde la cristalización hasta la recopilación y el procesamiento de datos de difracción1,2,3,4,5,6,7,8,9,incluida una serie de tecnologías para el montaje de muestras10,11,12 ,13,14,15,16,17. Esto no solo ha acelerado el ritmo al que se obtienen las estructuras cristalográficas, sino que ha contribuido a agilizar aplicaciones como el diseño de fármacos guiados porestructuras 18,19,20,21,22,23,24. En este manuscrito describimos algunos de los aspectos de las tuberías de cristalografía automatizada disponibles en el laboratorio HTX en Grenoble, así como las tecnologías subyacentes.
El laboratorio HTX en EMBL Grenoble es una de las instalaciones académicas más grandes para la detección de cristalización en Europa. Está ubicado en el campus europeo de fotones y neutrones (EPN) junto con la Instalación Europea de Radiación Sincrotrón (ESRF), que produce algunos de los haces de rayos X más brillantes del mundo y el Institut Laue Langevin (ILL), que proporciona haces de neutrones de alto flujo. Desde el inicio de las operaciones en 2003, el laboratorio HTX ha prestado servicios a más de 800 científicos y procesa más de 1000 muestras por año. El laboratorio HTX tiene un fuerte enfoque en el desarrollo de nuevos métodos en cristalografía macromolecular, incluidos los métodos para la evaluación de muestras y el control de calidad25,26 y la tecnología CrystalDirect, que permite el montaje y procesamiento de cristales totalmenteautomatizados 15,16,17. El laboratorio HTX también ha desarrollado el Sistema de Gestión de Información Cristalográfica (CRIMS), un sistema de información de laboratorio basado en la web que proporciona comunicación automatizada entre las instalaciones de cristalización y recolección de datos sincrotrón, lo que permite un flujo de información ininterrumpido durante todo el ciclo de la muestra, desde la proteína pura hasta los datos de difracción. A través de la combinación de las capacidades de la instalación HTX, la tecnología CrystalDirect y el software CRIMS, hemos desarrollado tuberías de proteína a estructura totalmente automatizadas que integran la detección de cristalización, la optimización de cristales, el procesamiento automatizado de recolección de cristales y el crioenfriamiento y la recopilación de datos de rayos X en múltiples sincrotrones en un flujo de trabajo único y continuo que se puede operar de forma remota a través de un navegador web. Estas tuberías se pueden aplicar para apoyar la determinación rápida de nuevas estructuras, la caracterización de complejos proteína-ligando y el cribado de compuestos y fragmentos a gran escala a través de la cristalografía de rayos X.
El laboratorio HTX está equipado con un robot de cristalización sin volumen (que incluye un módulo LCP que permite la cristalización de proteínas solubles y de membrana), granjas de cristales (a 5 ° C y 20 ° C), dos estaciones robóticas de manejo de líquidos para preparar pantallas de cristalización y dos cosechadoras de cristales CrystalDirect automatizadas con capacidad para producir y almacenar hasta 400 pines de muestra congelados por ciclo de operación. Los científicos envían sus muestras a las instalaciones por mensajería urgente, que luego son procesadas por técnicos dedicados en el laboratorio HTX. Los científicos pueden diseñar de forma remota experimentos de detección y optimización de cristalización a través de una interfaz web proporcionada por el sistema CRIMS. A través de esta interfaz, pueden elegir entre una amplia gama de parámetros y protocolos experimentales disponibles en la instalación para adaptarse a sus requisitos de muestra específicos. Los resultados junto con todos los parámetros experimentales se hacen disponibles para los usuarios en tiempo real a través de CRIMS. Todas las muestras recibidas se ensayo a través de un método específicamente desarrollado que permite estimar la probabilidad de cristalización de la muestra25,26,27. Sobre la base de los resultados de este ensayo, se hacen recomendaciones específicas a los usuarios con respecto a la temperatura óptima de incubación y los posibles experimentos de optimización de la muestra. Una vez que se configuran los experimentos de cristalización, los científicos pueden evaluar los resultados observando las imágenes de cristalización recopiladas en diferentes puntos de tiempo a través de la web. Cuando se identifican cristales adecuados para experimentos de difracción de rayos X, los científicos pueden usar una interfaz dedicada para establecer un plan de montaje de cristales que luego será ejecutado por el robot CrystalDirect.
La tecnología CrystalDirect se basa en el uso de una microplaca de cristalización por difusión de vapor modificada y un rayo láser para montar y crio-enfriar muestras de cristal en soportes compatibles con difracción cerrando la brecha de automatización existente entre la cristalización y la recolección de datos15,16,17. Brevemente, los cristales se cultivan en una placa de difusión de vapor modificada, la microplaca CrystalDirect. Una vez que aparecen los cristales, el robot de recolección CrystalDirect aplica automáticamente un rayo láser para extirpar una pieza de película que contiene el cristal, unirla a un pin de recopilación de datos de difracción estándar y crioenfriarla en una corriente de gas nitrógeno (ver Zander et al. 2016 y https://www.youtube.com/watch?v=Nk2jQ5s7Xx8). Esta tecnología tiene una serie de ventajas adicionales sobre los protocolos de montaje de cristal manuales o semiautomatizados. Por ejemplo, el tamaño y la forma de los cristales no es un problema, por lo que es igualmente fácil cosechar cristales grandes o microcristales, a menudo es posible evitar el uso de crioprotectores, debido a la forma especial en que opera la tecnología (ver referencia 17, Zander et al.), lo que hace que el análisis de difracción de rayos X sea mucho más sencillo. El rayo láser también se puede utilizar como una herramienta quirúrgica para seleccionar las mejores partes de una muestra cuando los cristales crecen en grupos o muestran un crecimiento epitaxial, por ejemplo. La tecnología CrystalDirect también se puede utilizar para experimentos de remojo automatizados17. Entrega de soluciones con moléculas pequeñas u otros productos químicos a cristales. Por lo tanto, permite admitir la detección de compuestos y fragmentos totalmente automatizada y a gran escala. Una vez que los cristales son cosechados y crioenfriados por el robot CrystalDirect, se transfieren a los discos SPINE o Unipuck que son compatibles con la mayoría de las líneas de haz de cristalografía macromolecular de sincronía en todo el mundo. El sistema puede cosechar hasta 400 pines (la capacidad del almacenamiento criogénico Dewar) de una manera totalmente autónoma. CRIMS se comunica con el robot cosechador durante el proceso y proporciona un seguimiento automatizado de las muestras de cristal (discos y pasadores). Los discos están marcados tanto con códigos de barras como con etiquetas RFID para facilitar la gestión demuestras21,28.
CRIMS proporciona una interfaz de programa de aplicación (API) que admite la comunicación automatizada con el sistema ISPyB que admite la gestión y el procesamiento de la recopilación de datos de rayos X en muchos sincrotrones en Europa y el mundo29. Una vez completada la recolección automatizada de cristales, los científicos pueden seleccionar muestras de cristal (pucks) y crear envíos de muestras para las líneas de haz de cristalografía macromolecular en los sincrotrones ESRF (Grenoble, Francia)7,8,9 o Petra III (Hamburgo, Alemania)18,19. CRIMS transfiere los datos correspondientes a las muestras de línea de haz seleccionadas al sistema de información de sincrotrón junto con los parámetros de recopilación de datos preseleccionados. Una vez que las muestras llegan a la línea de haz de sincrotrón seleccionada, la recopilación de datos de rayos X se lleva a cabo manualmente, a través de la operación de línea de haz remota o de manera totalmente automatizada (es decir, en la línea de haz MASSIF-1 del ESRF8 operada por el Grupo Conjunto de Biología Estructural conjunta EMBL ESRF (JSBG)). Después de la recopilación de datos, CRIMS recupera automáticamente información sobre los resultados de la recopilación de datos junto con los resultados iniciales del procesamiento de datos llevados a cabo por los sistemas de procesamiento de datos sincrotrón y la presenta al científico a través de una interfaz de usuario conveniente.
El laboratorio HTX aplica estas tuberías automatizadas para soportar tres aplicaciones diferentes, determinaciones rápidas de nuevas estructuras, caracterización rápida de complejos de proteínas-ligandos y cribado de compuestos y fragmentos a gran escala. A continuación describimos cómo usarlos y operarlos.
Las tuberías de cristalografía automatizada descritas aquí están disponibles para investigadores de todo el mundo a través de diferentes programas de financiación. Actualmente, el acceso financiado para experimentos de cristalización y la tecnología CrystalDirect se puede obtener aplicando al programa iNEXT Discovery e INSTRUCT-ERIC, mientras que el acceso a las líneas de haz de cristalografía macromolecular en el ESRF se admite a través del programa de acceso de usuarios esRF. Este enfoque minimiza el retraso entre el crecimiento de los cristales y la medición, acelerando la progresión de proyectos muy desafiantes que requieren una optimización basada en la difracción de la producción de proteínas y las condiciones de cristalización y libera a los científicos de operaciones complejas asociadas con la cristalización, el manejo de cristales y la operación de la línea de haz, lo que hace que la cristalografía sea más accesible para los grupos no expertos. También se puede utilizar para la exploración rápida de aditivos de cristalización, agentes de fase o para el cribado de compuestos a través de experimentos de cocristalización. Si bien la mayoría de los proyectos de cristalografía podrían beneficiarse potencialmente de este enfoque, algunas muestras pueden requerir protocolos especiales que no son susceptibles de automatización o de las tuberías presentadas aquí, por ejemplo, aquellos que requieren sistemas microfluídicos o dispositivos de cristalización altamente especializados o muestras que son extremadamente lábiles y no tolerarían el envío.
La tecnología CrystalDirect también permite el remojo automatizado decristales 17 para la caracterización de complejos moléculas-objetivo pequeñas. Para esto, se crea una pequeña abertura con el láser antes del proceso de cosecha y se agrega una gota de una solución que contiene los productos químicos deseados (es decir, agentes de fase o ligandos potenciales) en la parte superior, de modo que entra en contacto y se difunde en la solución de cristalización que finalmente llega al cristal. Las soluciones químicas se pueden formular en agua, DMSO u otros disolventes orgánicos. Después de un cierto tiempo de incubación, los cristales pueden ser cosechados y analizados por difracción como se describió anteriormente. Este enfoque se ha aplicado a la caracterización rápida de complejos ligando-proteína en el contexto del diseño de fármacos basados en la estructura, así como al cribado de compuestos y fragmentos a gran escala. En este último caso, las bibliotecas de fragmentos con cientos a más de mil fragmentos se pueden analizar rápidamente. Las interfaces CRIMS específicas que no se presentan aquí facilitan el diseño y el seguimiento automatizado de los experimentos de remojo de cristales, mientras que la integración entre el software CRIMS y el paquete de software Pipedream, desarrollado por Global Phasing Ltd (Reino Unido), permite el procesamiento automatizado de datos, la fase, la identificación de ligandos y el refinamiento de la estructura en cientos de conjuntos de datos en paralelo, agilizando el análisis y la interpretación de datos32,33 . Por ejemplo, esta tubería se aplicó recientemente a la identificación de fragmentos que se unen tanto al sitio activo como a varios sitios alostéricos de Trypanosoma brucei farnesil pirofosfato sintasa, una enzima clave del parásito que causa la tripanosomiasis africana humana.
Las tuberías presentadas aquí pueden contribuir a acelerar el ritmo de descubrimiento en biología estructural y hacer que la cristalografía macromolecular sea más accesible para un mayor número de grupos de investigación. Además, al facilitar el cribado de compuestos y fragmentos a gran escala, pueden contribuir a fomentar la investigación traslacional y acelerar el proceso de descubrimiento de fármacos, contribuyendo a facilitar el desarrollo de fármacos mejores y más seguros contra un mayor número de objetivos.
The authors have nothing to disclose.
Queremos agradecer al Grupo de Biología Estructural embL-ESRF (JSBG) por su apoyo en el uso y operación de las líneas de haz macromoleculares de ESRF. Agradecemos a Matthew Bowler por su apoyo con la recopilación de datos en la línea de haz MASSIF-1 de ESRF y Thomas Schneider y al equipo de EMBL Hamburg por su excelente apoyo con la recopilación de datos en P14 del sincrotrón PetraIII (DESY, Hamburgo, Alemania). La cosechadora CrystalDirect se desarrolla en colaboración con el equipo de instrumentación de EMBL Grenoble. Este proyecto fue apoyado por la financiación del Programa 2020 de la Comunidad Europea en el marco de los proyectos iNEXT (Grant No 653706) e iNEXT Discovery (Grant No 871037), así como de la Région Auvergne-Rhône-Alpes a través del 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 |