多目的なマイクロ流体デバイスは、カウンター拡散法を用いた酵素の結晶化、浸漬による結晶中の基質の導入、および室温でチップ内部の結晶の逐次分析による酵素:基質複合体の3D構造決定を可能にする記載されている。
X線分析前の十分に拡散結晶の調製とその取り扱いは、生体結晶学研究の2つの重要なステップです。逆拡散の効率的な方法により結晶の製造を可能にする多目的なマイクロ流体チップについて述べる。マイクロ流体チャネルによって提供される対流のない環境は、結晶成長に最適であり、結晶酵素の活性部位に基質を拡散するのに有用である。ここでは、このアプローチを、本例においてサイクロ球菌 プラノコッカス・ハロクリオフィルス のCCA付加酵素に適用した。結晶化および基質拡散/浸漬後、酵素:基質複合体の結晶構造を、シリアル結晶学とチップ内部の複数結晶の解析により室温で決定した。全体のプロシージャは、結晶の取り扱いを必要としないため、サンプルの本物の回折特性を保持します。
結晶学は、生体高分子の3Dアーキテクチャを解読する方法である。後者は、酵素がその基質をどのように選択して処理するかを理解するために重要です。結晶構造の決定には、X線回折1によるそれらの分析のために、標的高分子の結晶化と結晶のコンディショニングが必要である。結晶の準備と取り扱いは、結晶の品質と回折特性に影響を与える可能性がありますが、繊細な手順であり、結果として得られる3D構造の分解能(精度)です。高品質の結晶の調製を容易にし、その回折特性を維持するために不要な取り扱いを排除するために、我々はChipX2、3、4と呼ばれるユーザーフレンドリーで汎用性の高いマイクロ流体デバイスを設計しました。
本稿では、従来の実験室材料を用いて、反拡散による結晶の調製を行う方法を、ChipXチャネルにタンパク質溶液をロードする方法を紹介します。この結晶化法は、結晶化剤5,6の拡散によって発生する濃度勾配による酵素溶液を含むマイクロ流体チャネルに沿った過飽和及び潜在的核生成条件の効率的なスクリーニングを提供する。
チップのセットアップは簡単で、標準的な実験室用ピペットのみを使用し、高価な機器を必要としません。結晶がChipXで成長した場合、拡散によって酵素のリガンドを導入することができます。次に、シンクロトロンX線源を用いて、チップのチャネルに含まれる一連の結晶の回折データを室温で収集します。ここで説明した構造研究は、そのアポ形態および浸漬によって導入されたCTP基質の類似体との複合体におけるtRNA成熟酵素の構造の決定につながった。CCA付加酵素と呼ばれるこのタンパク質は、tRNAの3’末端でCCAトリヌクレオチドテールを重合します。連続結晶学によって得られた2つの3D画像を比較すると、クライオ結晶学で使用されるものよりも生理学的な条件でリガンドの結合に関連する局所的な立体構造変化を明らかにする。本ビデオに記載されたプロトコルは、タンパク質、核酸、または多成分複合体であるあらゆる生体分子に一般に適用可能である。
生体結晶学における電流プロトコルは、凍結原色の条件下で窒素ジェットで回折解析を行う前に、蒸気拡散またはバッチ13,14などの方法を用いて結晶を調製し、その結晶を凍結冷却用マイクロループ15,16に移すことを含む。これに対して、直接結晶の凍結冷却はChipX3では不可能であり、結晶はマイクロ流体チャネルから抽出することができず、このセットアップの限界と見なすことができます。しかしながら、本稿に記載されたプロトコルは、室温での結晶構造の決定(すなわち、より生理的な条件下)を完全に統合したパイプラインを提供する。室温でのデータ収集は放射線損傷の増加を引き起こしますが、この効果は高速データ取得時間(各結晶で最大60°回転が収集される)と複数の部分データセットのマージによって相殺されます。ChipXの設計と材料の両方がバックグラウンド散乱と回折信号減衰3を低減するように最適化され、データ収集は、チャネル(40 μm)4の半分のサイズに相当する寸法の結晶に対して行うことができる。
要約すると、プロトコルの主な利点は以下の通りです。結晶は対流のない環境(マイクロ流体チャネル)で作製され、高品質の結晶の成長に非常に有利です。ChipXで実装されているカウンター拡散法は、過飽和風景のスクリーニングに非常に効率的です。結晶剤のチップチャネルへの拡散は、適切な核生成および成長条件5を決定するのに役立つ濃度と過飽和波を作成します。結晶は、直接扱われることはないが、その場で分析され、チップ内部で分析され、その真の回折特性を保持する(すなわち、物理的相互作用や低温冷却によって結晶モザイク性を変化させない)20。回折解析は、放射の損傷を最小限に抑えるために、チップチャネルに沿って分布する一連の結晶に対して行われ、完全なデータセットはシリーズの部分的なデータをマージすることによって組み立てられます。ChipXの標準的な足跡および簡単な設計は同期またはXFELの設備を使用して、将来的 にsitu データ収集の完全な自動化を可能にする。プロトコルのすべてのステップはChipXで行われます。実験者の視点から、チップのセットアップは、標準のピペットで簡単かつ簡単に実行でき、余分な機器を必要としません。サンプルインレットの木のようなチャネル接続は、システム内のデッドボリュームを最小限に抑え、浄化が困難なサンプルや限られた量でのみ利用可能なサンプルを扱う場合に重要です。
結論として、ChipXに実装されているラボ・オン・チップ・アプローチは、逆拡散と結晶構造の決定によって結晶化のプロセスを簡素化し、効率的に小型化し、サンプルから3D構造に単一のデバイスで行くことを可能にします。広く適用可能であり、室温での定期的な連続生体結晶学の調査のためのユーザーフレンドリーで、費用効果の高い解決を提供する。
The authors have nothing to disclose.
著者らは、ビームラインX10SA(PXII)とX06DA(PXIII)、アレクサンドラ・ブルームの構造改良への貢献、ナレーションの録音のためのクラリッサ・ワースデール、ビデオ編集とSFXでの彼の支援のためのフランソワ・シュネル(ストラスブール大学)に関するプロジェクトへのビームタイム割り当てのためのスイス光源(ヴィリゲン、スイス)を認める。この作品は、ストラスブール大学フランス国立国立レシェルシュ・サイエンティフィック(CNRS)によって支援されました。 フランス国立プログラム「投資ダベニール」の枠組みの中でストラスブール大学のエクセレンス・イニシアチブ(IdEx)からR.dWへの博士号を調達したLabExコンソーシアム「NetRNA」(ANR-10-LABX-0036_NETRNA)は、フランス・ドイツ大学(UFA-DFH、助成金なし)からK.R.への博士号を取得しました。CT-30-19)、ドイツ・フォルシュングスゲマイインシャフト(グラント・ノー。Mo 634/10-1)。著者らはPROCOPEヒューバート・キュリアン協力プログラム(フランス外務省とドイツ・アカデミスチャー・アウシュディエンスト)の恩恵を受けた。
Axioscope A1 stereomicroscope | Zeiss | Crystal observation (step 3) | |
Carboxyrhodamine succinimidyl ester | Invitrogen | C-6157 | Protein labeling (step 2) |
CMPcPP | Jena Bioscience | NU-438 | Crystal soaking (step 4) |
Crystal clear sealing tape | Hampton research | HR3-511 | ChipX sealing (step 1) |
Parafin oil | Hampton research | HR3-411 | ChipX loading (step 1) |
Ultimaker 2 extended+ | Ultimaker | 3D printer – Representative results | |
UV light source | Xtal Concepts Gmbh | XtalLight100c | Crystal observation (step 3) |
Zeba spin desalting column 7K MWCO | ThermoFisher Scientific | 89882 | Protein labeling (step 2) |