Международная группа ученых использовала рентгеновский лазер в Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики, чтобы определить структуру «кокона» кристаллического белка вируса насекомых.
Крошечные коконы были самыми маленькими белковыми кристаллами, которые когда-либо отображались с помощью рентгеновской кристаллографии, и результаты указывают на возможность использования еще более мелких кристаллов - или даже некристаллизованных белков и других биомолекул - для структурного анализа.
Используя когерентный источник света Linac (LCLS) от SLAC, пользовательское устройство Управления науки Министерства энергетики США, исследователи поразили почти 500 000 коконов рентгеновскими импульсами, создав дифракционные картины в детекторе, которые были скомпилированы для формирования изображения. структуры кокона с разрешением 0.2 нанометра. Анализ был опубликован в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Возможность наблюдать за структурой белка дает представление о том, как ведет себя молекула, информацию, которую можно применять в самых разных областях, таких как медицина, сельское хозяйство и промышленные процессы. В этом исследовании рассматривался грануловирус Cydia pomonella (CpGV), который поражает гусениц плодожорки (Cydia pomonella) и также используется в качестве биологического пестицида. (Вирус безвреден для человека.)
«За последние 50 лет ученые определили структуру более 100 000 белков», - говорит Генри Чепмен, ученый Немецкого электронного синхротрона (DESY) в Германии и руководитель исследовательской группы. «Безусловно, наиболее важным инструментом для этого является рентгеновская кристаллография».
Обычно ученые, выполняющие рентгеновскую кристаллографию, создают кристаллы, содержащие множество копий белка, который они хотят изучить. LCLS позволил им изучать кристаллы гораздо меньшего размера, чем раньше, с возможностью захвата изображений с помощью сверхбыстрых импульсов рентгеновского излучения до того, как они будут повреждены интенсивным излучением. Это устраняет основные препятствия для изучения белков, которые трудно превратить в большие кристаллы.
В этом случае вирус имеет кокон, состоящий из естественно образованных кристаллизованных белков. Каждый кристалл содержал около 9000 копий белка, что примерно в тысячу раз меньше, чем кристаллы, использовавшиеся ранее.
До этого результата типичный размер кристалла, используемый для структурного определения в LCLS, составлял около пяти микрон, а самый маленький - порядка одного микрона [1000 нанометров], - говорит Себастьян Буте, ученый SLAC и соавтор. на бумаге.
«Мы сократили возможности LCLS в субмикронной области, используя экстремальную фокусировку, которая создает более интенсивный луч на крошечном образце», - говорит Буте.
LCLS запустила Инициативу по визуализации отдельных частиц, чтобы работать над визуализацией в атомном масштабе для многих типов биологических образцов. Для решения технических проблем эти усилия включали в себя детальную характеристику луча и детектора. Эти усилия выиграют от будущих разработок, таких как создание новых детекторов и модернизация зеркал для улучшения качества луча.
В этой статье излагается путь использования лазеров на свободных электронах для получения структур белков и других биомолекул без необходимости их кристаллизации вообще. В будущем исследовательская группа надеется изучить еще более мелкие структуры с таким же уровнем детализации.
«Моделирование, основанное на наших измерениях, позволяет предположить, что наш метод, вероятно, можно использовать для определения структуры даже меньших кристаллов, состоящих всего из сотен или тысяч молекул», - говорит Чепмен. «Это делает нас огромным шагом вперед к нашей цели анализа отдельных молекул».