2017年3月17日
多亏了一种创新的喷嘴，科学家们现在可以分析更多种类的蛋白质，同时使用更少的难以获得的蛋白质晶体。由自由电子激光科学中心(CFEL)的DESY科学家Saša batt领导的发明家团队在《科学报告》杂志上写道，在连续的x射线晶体学实验中，这种喷嘴可以减少8倍的蛋白质消耗。欧洲杯线上买球研究人员使用他们的新型喷嘴揭示了RNA聚合酶的结构细节。
工作喷嘴的x线照片，显示内部的蛋白质流被乙醇射流包围。(资料来源:多米尼克·奥伯休尔，DESY)
科学家们对蛋白质的空间结构很感兴趣，因为它揭示了这些生物分子的工作原理。这些知识有助于更好地理解生物分子的功能和定制药物。x射线晶体学是解决蛋白质结构的主要工具。然而，它需要被研究的蛋白质的晶体。当x射线击中这些晶体时，它们从原子衍射形成一种特征图案，由此可以计算出晶体的空间结构——以及蛋白质分子。
许多蛋白质不喜欢被挤压成晶体，因为它与其自然功能相矛盾。“种植蛋白质晶体是复杂的，可以生产的蛋白质通常限于克克的百万分之一，并且通常只能获得很小的晶体，”报告的主要作者斯瓦西·奥比斯（DominikOberthür）说。由于可以分析X射线自由电子激光的极明亮的闪光，即使这些微晶也可以分析，但通常需要数千次衍射图来解决蛋白质结构。由于精细微晶被强烈的X射线闪光完全蒸发 - 在递送它们的衍射图案之后 - 新鲜微晶流通过激光束送出。该概念被称为串行X射线晶体学，使得能够分析许多以前难以接近的蛋白质。
尽管如此，即使那些微晶很难获得，并且它们的一部分实际上由X射线闪光击中，这取决于晶体流的几何形状和X射线激光器的技术参数。“晶体越少，您需要的蛋白质材料越少，分析越可行，”奥伯利·鲁瓦尔强调。Bajt的团队为所谓的双流聚焦喷嘴（DFFN）构想了一种新的概念，这大大减少了蛋白质晶体消耗。通常，使用特殊喷嘴将蛋白质晶体用一些载液（“缓冲液”）注入X射线束中。为了形成薄射流，载体液体通过围绕液体的快速气流加速。但要形成稳定的射流，需要最小的流速，通常浪费射流中的大部分晶体。
为了克服这些困难，研究小组添加了乙醇作为气体和缓冲液之间的次级“鞘”液体。这导致鞘液被气体加速。然后，缓冲液中的晶体可以以非常细的流的形式注入到乙醇射流的中心。“以前，带有晶体的缓冲液有两项工作:形成稳定的射流和携带蛋白质晶体，”研究人员Juraj Knoška解释说。Juraj是CFEL和汉堡大学的博士生。“我们的方法是将这些角色分开，并使用最适合这项工作的液体。”乙醇具有理想的特性，可以形成一个非常稳定的射流，它只在中心带有晶体缓冲液的细流中流动。通过这种方法，缓冲液的流速可以从大约40微升(一升的百万分之一)降低到每分钟2微升。此外，精细、稳定的纳米晶体流可以与x射线激光的小光束精确重叠。此外，整体流速的降低提高了衍射图案的质量和x射线闪光实际击中晶体的速率。
巴特说:“我们不仅减少了晶体的消耗，而且我们的双流聚焦喷嘴还通过提高我们收集高质量衍射图案的速率，提高了x射线源的使用效率。”“此外，使用鞘液可以让我们研究缓冲液中以前不能注射的蛋白质。我们的概念扩大了可分析的生物分子的范围。”她的团队在美国SLAC国家加速器实验室的x射线激光LCLS上测试了新的喷嘴。科学家们与不同的小组合作，以解决各种蛋白质的结构。
Oberthür解释道:“与来自斯坦福大学的诺贝尔奖得主Roger Kornberg团队一起，我们可以首次在室温下解决RNA聚合酶II的结构。”“由于室温下的晶体学是详细研究结构动力学的先决条件，这为未来用这个重要系统进行时间解析研究或‘分子电影’打开了大门。”新设备也被用来分析另外两种酶，一种膜结合的氢化酶和一种双加氧酶，以及自然产生的蛋白质纳米晶体，它们来自一种特殊病毒(pomonella granulovirus, CpGV)的保护茧。
双流聚焦喷嘴还解决了这种喷射形式的另一个实际问题:通常，在传统喷嘴的边缘，缓冲材料、蛋白质和水冰晶随着时间的推移会聚集在一起，形成水滴状的特征。同样的情况经常发生在喷嘴下方的捕集槽底部。如果这些蛋白质冰状的钟乳石和石笋在x射线束中生长，它们不仅使衍射图案失效，而且它们的反射非常强烈，可以破坏探测器。所以，时不时地，需要暂停实验来移除蛋白质冰滴石。“我们喷嘴中的护套液体可以防止这种不需要的结构的形成。双流聚焦喷嘴使实验条件稳定了好几个小时，”Oberthür解释道。
巴特总结说:“在所有的实验中，这种喷嘴都工作得非常好。”“我们可以将中断次数从10次减少到0次，我们希望其他x射线激光器和同步加速器光源(如DESY的PETRA III)的实验站也能从我们的设备的优势中受益。”
亚利桑那州立大学、康奈尔大学、明尼苏达大学、柏林技术大学、Charité Universitätsmedizin柏林、豪普特曼-伍德沃德医学研究所、诺娃戈里察大学、卢布尔雅那金属与技术研究所、Helmholtz-Zentrum Geesthacht、汉堡大学和汉堡超快成像中心CUI也参与了这项研究。CFEL是德国德兴大学、汉堡大学和德国马克斯·普朗克学会的合作项目。
来源：https://www.desy.de/