В исследовательской статье, опубликованной в журнале Nature Methods 5 октября, описывается новый способ проведения кристаллографии с временным разрешением — метод, который исследователи используют для наблюдения изменений в структуре молекул.Хотя раньше была возможна быстрая кристаллография с временным разрешением (кристаллография Лауэ), для этого требовалось современное оборудование, доступное только в трех центрах по всему миру.
Традиционным методом было изучено лишь несколько белков.Новый метод позволит исследователям всего мира проводить динамическую кристаллографию и, вероятно, даст значительный толчок в областях исследований, основанных на понимании того, как работают молекулы, таких как разработка новых интеллектуальных материалов или новых лекарств.Понимание того, как структура и динамика связаны с функцией, является ключом к разработке лучших лекарств, нацеленных на определенные состояния молекул, помогая избежать нежелательных побочных эффектов.«Структура с временным разрешением немного похожа на фильм для кристаллографов», — сказала профессор Арвен Пирсон, возглавлявшая группу в Лидсе. «Жизнь извивается …
Она движется, и, чтобы понять это, вам нужно увидеть, как биологические структуры движутся в атомном масштабе. Этот прорыв позволяет нам это делать».
Традиционная рентгеновская кристаллография направляет рентгеновские лучи на кристаллизованные молекулы и создает изображение, которое позволяет исследователям определить атомную структуру молекул. Основное ограничение заключается в том, что создаваемое изображение представляет собой среднее значение всех молекул в кристалле и их движений за время эксперимента.Доктор Бриони Йорк, ведущий исследователь проекта, сказал: «Статическая картина не очень полезна, если вы хотите наблюдать, как работают молекулярные структуры. Это все равно, что пытаться выяснить, как работает автомобиль, не имея возможности запустить двигатель.
Вы можете посмотреть на свечи зажигания и поршень и, возможно, предположить, как они будут работать, но трудно понять что-то, не видя этого в действии ».Существующий метод решения проблемы можно сравнить с кропотливым процессом создания анимационного фильма.
Ученые «синхронизируют» набор молекул в идентичном состоянии, а затем активируют или «накачивают» изменения в молекулах. Они делают кристаллографический снимок структуры через заданное время. Затем исследователи должны начать весь эксперимент заново: синхронизировать молекулы, «накачать» их, а затем сделать снимок чуть позже в процессе.
Постепенно они создают движущуюся картинку.Этот подход «насос-зонд» был впервые предложен британским химиком Джорджем Портером в 1940-х годах в исследовании, получившем Нобелевскую премию, и оказал огромное влияние на наше понимание химии.
Однако основным ограничением подхода «накачка-зонд» для кристаллографических экспериментов является то, что снимки «экспонируются» только на мгновение (часто всего 100 миллионов миллионных долей секунды), чтобы зафиксировать молекулярные движения. Это означает, что у нас очень мало времени, чтобы доставить достаточно света для создания кристаллографического изображения.В мире есть только три «синхротрона», больших генератора рентгеновского излучения — в США, Франции и Японии, — которые способны доставлять достаточно мощный пучок.
Новый метод использует умную математику (преобразование Адамара), чтобы открыть поле для гораздо менее мощных синхротронных «лучей», передовых лабораторий, которые ученые используют для использования мощного синхротронного света для кристаллографии и других методов. Это позволит таким объектам, как собственный синхротрон Великобритании, Diamond Light Source, проводить кристаллографию с временным разрешением.
Как и в методе Портера, в новом подходе исследователи синхронизируют свои молекулы и активируют их. Однако затем они делают серию кристаллографических «зондов» движущихся структур, используя набор световых импульсов.
Эти импульсы создают единое кристаллографическое изображение, немного напоминающее фотографию с длинной выдержкой. Затем исследователи повторяют эксперимент, используя другую схему световых импульсов, и создают другое изображение с «длинной выдержкой».
Этот процесс повторяется до тех пор, пока не будут завершены все импульсные последовательности, созданные с использованием математической формулы.Каждое из изображений с "длинной выдержкой", созданных из импульсных последовательностей, размыто, но различия в изображениях и между импульсами, которые их создали, позволяют исследователям извлекать движущуюся картину изменяющихся структур молекул.
Профессор Пирсон сказал: «Самое замечательное в этом методе состоит в том, что нам не нужны четкие снимки и, следовательно, очень сильный свет, необходимый для метода Портера. Это совершенно новый способ проведения эксперимента с временным разрешением, который позволяет преодолеть многие из текущих ограничений ".Соавтор, профессор Годфри Беддард, заслуженный профессор химической физики в Университете Лидса, сказал: «Мы демонстрируем этот метод для кристаллографии, но он будет работать для любого эксперимента с временным разрешением, в котором датчик может быть закодирован. Этот новый метод означает, что , вместо того, чтобы обращаться к одному из трех инструментов в мире, которые в настоящее время могут выполнять кристаллографию с временным разрешением, вы можете перейти к любому каналу пучка на любом синхротроне — по сути, это массово открывает поле для подобных экспериментов ».
Соавтор, доктор Робин Оуэн, главный научный сотрудник компании Diamond Light Source, сказал: «Прелесть этого подхода заключается в том, что он использует существующее оборудование по-новому, чтобы способствовать развитию новой науки. Новое использование преобразования Адамара или множественной экспозиции , подход помогает открыть дверь для науки с временным разрешением в гораздо более широком диапазоне каналов пучка и синхротронных источников, чем это возможно в настоящее время. Используя этот подход, мы сможем получить несколько последовательных изображений белка, пока он выполняет свою функцию, обеспечивая гораздо более четкое понимание взаимосвязи между структурой и функцией ».
Профессор Пол Рэйтби, заведующий кафедрой неорганической химии Университета Бата, ведущий специалист по кристаллографии с временным разрешением, который не был одним из авторов статьи, сказал: «Это очень захватывающее открытие в области макромолекулярных и молекулярных исследований. кристаллография. Новый метод позволит нам «наблюдать» за химическими и биологическими процессами, поскольку они происходят в пути, который ранее был невозможен, и откроет новые горизонты исследований динамики молекул и материалов. Что особенно интересно из моих точка зрения заключается в том, что этот метод можно использовать в моей области исследований, чтобы посмотреть, как «умные» материалы функционируют в реальном времени, и помочь в разработке следующего поколения электронных устройств и датчиков ».