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快速X射线脉冲在新的光中看到光合作用

将阳光转化为能量的能力是自然界最杰出的成就之一。科学家们了解光合作用的基本过程,但许多关键细节仍然难以捉摸,发生在长期被认为太小而无法探测的尺度和短暂的时间尺度上。

快速X射线脉冲在新的光中看到光合作用

在一项由Petra Fromme和Nadia Zatsepin在应用设计发现生物设计中心,分子科学学院和ASU物理系领导的新研究中,研究人员用超短X射线脉冲研究了光系统I(PSI)的结构。位于德国汉堡的欧洲X射线自由电子激光(EuXFEL)。

PSI是一个大型生物分子系统,可充当太阳能转换器,将太阳能转换为化学能。光合作用为地球上所有复杂的生命提供能量,并提供我们呼吸的氧气。揭示光合作用秘密的进展有望改善农业状况,并有助于发展将自然效率与人类工程系统的稳定性相结合的下一代太阳能存储系统。

“这项工作是如此重要,因为它显示了兆赫兹级连续结晶学概念的第一个证明,它具有光合作用中最大,最复杂的膜蛋白之一:光系统I” Fromme说。“这项工作为在EuXFEL上进行时间分辨研究铺平了道路,以确定光合作用中电子的光驱动路径的分子电影,或可视化癌症药物如何攻击有故障的蛋白质。”

最近开始运行的EuXFEL是第一个使用超导线性加速器的人,它产生了令人兴奋的新功能,包括其X射线脉冲的非常高的兆赫兹重复率-比任何其他XFEL快9000倍-脉冲间隔小于1百万分之一秒。借助这些令人难以置信的短暂X射线爆发,研究人员将能够更快地记录基本生物学过程的分子电影,并可能影响医学,药理学,化学,物理,材料科学,能源研究,环境研究,电子,纳米技术和光子学。佩特拉·弗洛姆(Petra Fromme)和娜迪亚·扎瑟平(Nadia Zatsepin)是该论文的共同通讯作者,已发表在本期《自然通讯》上。

人数优势

Fromme是应用结构发现生物设计中心(CASD)的主任,领导该项目的实验团队的工作,而Zatsepin领导XFEL数据分析团队。

ASU系前研究助理教授Zatsepin强调:“这是连续飞秒晶体学发展的一个重要里程碑,它建立在庞大的跨学科国际团队的协调配合下,并且在不同领域的多年发展中。” CASD物理与生物设计专业的博士学位,现在是澳大利亚拉筹伯大学的高级研究员。

该论文的共同第一作者克里斯托弗·吉斯里尔(Christopher Gisriel)在Fromme实验室担任博士后研究员期间对该项目进行了研究,对此项目感到很兴奋。“系列飞秒晶体学实验中的快速数据收集使那些对酶的结构-功能关系感兴趣的人更容易使用这项革命性技术。我们在《自然通讯》上的新出版物对此进行了例证,该出版物表明,即使最困难和最复杂的蛋白质结构也可以解决。通过连续的飞秒晶体学,同时以兆赫的重复频率收集数据。”

“很高兴看到许多人的辛勤工作推动了该项目的实现,”去年毕业并获得博士学位的共同第一作者杰西·科(Jesse Coe)说。亚利桑那州立大学生物化学专业。“这是朝正确方向迈出的重要一步,有助于更好地了解自然界数十亿年来不断完善的电子转移过程。”

佩特拉·弗洛姆(Petra Fromme)是应用结构发现生物设计中心(CASD)的主任,并领导该项目的实验团队的工作。图片来源:ASU生物设计研究所

极限科学

XFEL(用于X射线自由电子激光器)发出的X射线光比常规X射线源的亮度高十亿倍。电子被加速至接近光速,并通过一系列交替的磁体(称为波荡器)之间的间隙馈送,产生了类似激光的明亮X射线脉冲。起伏器迫使电子摆动并聚集成离散的包装。每个完全同步的摆动电子束沿电子飞行路径发射一个强大的简短X射线脉冲。

在连续飞秒晶体学中,蛋白质晶体的射流在室温下被注入到脉冲XFEL光束的路径中,以衍射图的形式产生结构信息。通过这些模式,科学家可以确定接近自然条件下蛋白质的原子级图像,从而为工作中的分子精确分子化铺平了道路。

X射线会破坏生物分子,这个问题困扰了数十年的结构确定工作,需要冻结生物分子以限制破坏。但是XFEL产生的X射线爆发非常短(仅飞秒),以至于在发生破坏之前就可以记录分子的X射线散射,就像使用快速相机快门一样。作为参考,飞秒是十亿分之一秒的百万分之一,而与之相同的比率是3200万年。

由于XFEL设施的复杂性,规模和成本,目前在全球范围内只有5个可用于此类实验,这对于研究人员来说是一个严重的瓶颈,因为每个XFEL通常一次只能容纳一个实验。大多数XFEL每秒产生30至120次X射线脉冲,收集确定单一结构所需的数据可能要花费数小时至数天,更不用说分子电影中的一系列帧了。EuXFEL是第一个在其设计中采用超导线性加速器的设备,可实现任何XFEL最快的X射线脉冲序列,从而可以显着减少确定电影的每个结构或帧所需的时间。

高风险,高回报

由于样品被强力的X射线脉冲所掩盖,因此必须及时补充下一个X射线脉冲,这要求在EuXFEL上,PSI晶体的输送速度比早期XFEL快9000倍,而喷射速度为大约每秒50米(每秒160英尺),就像一条微流体消防水带。这具有挑战性,因为它需要均匀晶体中包含的大量珍贵蛋白质才能达到这些高喷射速度,并避免阻塞样品传输系统。大的膜蛋白很难分离,结晶并传递到光束上,以至于能否在EuXFEL上研究这种重要的蛋白类型尚不清楚。

研究小组开发了新的方法,使PSI可以由36种蛋白质和381个辅助因子组成,是一个大分子复合物,其中包括288个叶绿素(吸收光的绿色色素),具有超过150,000个原子,并且比以前研究的蛋白质大20倍以上在EuXFEL上,其结构在室温下达到了2.9埃的分辨率,这是一个重要的里程碑。

为了进行这项新研究,必须生长数十亿个源自蓝细菌的PSI膜蛋白微晶。需要从纳米晶种快速生长晶体,以确保晶体尺寸和形状的基本均匀性。PSI是一种膜蛋白,是一类非常重要的蛋白,很难表征。它们的精细结构嵌入在细胞膜的脂质双层中。通常,必须将它们以完全活性的形式从其天然环境中小心地分离出来,并转变为结晶态,在这种状态下分子堆积成晶体,但保持其所有天然功能。

对于PSI,这可以通过用非常温和的去污剂进行提取来实现,该去污剂可以代替膜并像水池内管一样围绕蛋白质,从而模仿天然膜环境,并在将PSI填充到晶体中后使其保持完全功能。因此,当研究人员将光照射到PSI天线系统捕获绿色光的绿色颜料(叶绿素)上时,就会利用该能量将电子发射到整个膜上。

纳迪亚·扎特谢平(Nadia Zatsepin),曾任美国亚利桑那州立大学物理学与生物设计系CASD系研究助理教授,现任澳大利亚拉筹伯大学高级研究员。图片来源:ASU生物设计研究所

为了使PSI充分发挥功能,仅将晶体包装不牢固,其中包含78%的水,这使它们像在阳光下的黄油一样柔软,并且难以处理这些易碎的晶体。“要分离,表征和结晶一克PSI或十亿亿个PSI分子,以其完全活性的形式进行实验,这是我团队中的学生和研究人员的巨大努力”,Fromme说。更高的重复率和新颖的样品输送系统,将大大减少样品消耗。”

衍射数据的记录和分析是另一个挑战。EuXFEL和DESY开发了一种独特的X射线检测器,用于处理EuXFEL进行结构生物学研究的需求:自适应增益积分像素检测器或AGIPD。AGIPD的100万个像素中的每个像素的宽度不到百分之一英寸,并包含352个模拟存储单元,这使AGIPD可以在较大的动态范围内以兆赫兹速率收集数据。但是,要从大膜蛋白的微晶收集准确的晶体学数据,需要在空间分辨率和数据采样之间进行折衷。

Zatsepin警告说:“由于用X射线探测器像素无法充分解决衍射点,因此以当前的探测器尺寸推动更高分辨率的数据采集可能会排除对晶体学数据的有用处理”,Zatsepin警告说,“然而,在数据速率和动态范围方面, AGIPD的能力令人难以置信。”

自第一个高分辨率XFEL以来,由CFEL,DESY和ASU的合作者牵头开发的,专门为应对XFEL晶体学中海量数据集所特有的挑战而专门设计的新型数据缩减和晶体学分析软件,已经走了很长一段路在2011年进行实验。

Zatsepin补充说:“我们的软件和DESY的高性能计算功能实际上已经通过EuXFEL产生的空前数据量进行了测试。突破尖端技术的极限总是令人兴奋。”

膜蛋白:松软,但强大

诸如PSI之类的膜蛋白之所以被命名,是因为它们嵌入细胞膜中,对包括呼吸,神经功能,营养吸收和细胞信号传导在内的所有生命过程都至关重要。由于它们位于每个细胞的表面,因此它们也是最重要的药物靶标。当前所有药物中有60%以上是针对膜蛋白的。因此,设计具有更少副作用的更有效药物取决于了解特定药物如何与其靶蛋白结合以及其高度详细的结构构象和动态活性。

尽管它们在生物学中具有极其重要的意义,但膜蛋白结构在迄今解决的所有蛋白结构中所占比例不到1%,因为众所周知,它们很难分离,表征和结晶。这就是结晶学方法的重大进展,例如膜蛋白兆赫系列飞秒晶体学的出现,无疑会对科学界产生重大影响的原因。

需要一个村庄

没有来自ASU,欧洲XFEL,DESY,超快X射线科学中心,Hauptman-Woodward研究所,SUNY Buffalo,SLAC等15个机构的近80名研究人员的不懈努力,这些最新成就将是不可能的。 ,汉堡大学,哥廷根大学,匈牙利科学院,田纳西大学,劳伦斯·利弗莫尔国家实验室,南安普敦大学,汉堡工业大学,威斯康星大学。该研究小组包括美国国家科学基金会(NSF)BioXFEL科学技术中心的合作者,以及国际合作者,包括EuXFEL光束线的首席科学家Adrian P. Mancuso和Romain Letrun,以及CFEL / DESY的Oleksandr Yefanov和Anton Barty,他们与ASU团队进行复杂数据分析。

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