Научно-исследовательская работа, изданная в журнале Nature Methods on October 5, описывает новый способ сделать решенную временем кристаллографию, метод, который исследователи используют, чтобы наблюдать изменения в структуре молекул.Хотя быстро решенная временем кристаллография (кристаллография Лауэ) ранее была возможна, это потребовало передовой инструментовки, которая только доступна на трех местах во всем мире. Только горстка белков была изучена, используя традиционную технику.Новый метод позволит исследователям во всем мире выполнять динамическую кристаллографию и, вероятно, обеспечит основное повышение в областях исследования, которые полагаются на понимание, как молекулы работают, такие как развитие новых умных материалов или новых наркотиков.
Понимание, как структура и динамика связаны с функцией, ключевое для проектирования лучших лекарств, которые предназначены для определенных государств молекул, помогая избежать нежелательных побочных эффектов.«Решенная временем структура немного похожа на наличие фильма для crystallographers», сказала профессор Арвен Пирсон, которая возглавила команду в Лидсе. «Жизненные покачивания..
Это перемещается и, чтобы понять его, Вам необходимо видеть, как биологические структуры перемещаются в уровень атомов. Этот прорыв позволяет нам делать это».Традиционная кристаллография рентгена запускает рентген в кристаллизованные молекулы и создает изображение, которое позволяет исследователям разрабатывать строение атома молекул. Основное ограничение – то, что созданная картина является средним числом всех молекул в кристалле и их движениях за время эксперимента.
Доктор Брайони Йорк, ведущий исследователь на проекте, сказал: «Статическая картина не очень полезна, если Вы хотите наблюдать, как работают молекулярные структуры. Это похоже на попытку узнать, как автомобиль работает, не будучи позволенным управлять двигателем. Вы можете посмотреть на свечи зажигания и поршень и возможно взять предположение в том, как он собирается функционировать, но трудно действительно понять что-то, не видя его в действии».Существующий метод того, чтобы обходить проблему мог сравниться с трудоемким процессом создания мультфильма.
Ученые «синхронизируют» ряд молекул в идентичном государстве и затем активируют, или «насос», изменения в молекулах. Они берут кристаллографический снимок структуры после времени набора. Исследователи тогда должны начать целый эксперимент снова: синхронизация молекул, «перекачка» их и затем взятие снимка немного позже в процессе. Медленно, они создают движущуюся картину.
Этот подход исследования насоса был сначала предложен в получившем Нобелевскую премию исследовании британским химиком Джорджем Портером в 1940-х и оказал огромное влияние на наше понимание химии. Однако основное ограничение подхода «исследования насоса» для кристаллографических экспериментов – то, что снимки только «выставлены» на мгновение (часто всего 100 миллионов миллионных частей секунды), чтобы захватить молекулярные движения. Это означает, что есть очень мало времени, чтобы поставить достаточно света, чтобы создать кристаллографическое изображение.Есть только три «синхротрона», большие генераторы рентгена, в мире – в США, Франции и Японии – которые способны к поставке достаточно сильного луча.
Новый метод использует умную математику (Адамар Преобразовывают) открывать область намного менее сильному синхротрону «beamlines», передовые лаборатории, которые ученые используют, чтобы использовать сильный свет синхротрона для кристаллографии и других методов. Это позволит средствам, таким как собственный синхротрон Великобритании, Алмазный Источник света, сделать решенную временем кристаллографию.
Как в методе Носильщика, в новых исследователях подхода синхронизируют их молекулы и активируют их. Однако они тогда делают ряд кристаллографических «исследований» движущихся структур, используя образец световых импульсов. Эти импульсы создают единственное кристаллографическое изображение немного как фотография с большой выдержкой.
Исследователи тогда повторяют эксперимент, используя различный образец световых импульсов и создают различное изображение «с большой выдержкой». Этот процесс повторен, пока все образцы пульса, созданные, используя математическую формулу, не были закончены.Каждое из изображений «с большой выдержкой», созданных из образцов пульса, запятнано, но различия в изображениях и между образцами пульса, которые создали их, позволяют исследователям извлекать движущуюся картину структур изменения молекул.
Профессор Пирсон сказал: «Большая вещь об этом методе состоит в том, что нам не нужны ясные снимки, и поэтому очень яркий свет, требуемый методом Портера. Это – абсолютно новый способ сделать решенный временем эксперимент и преодолевает многие текущие ограничения».
Создайте в соавторстве профессора Годфри Беддарда, Заслуженного профессора Химической Физики в Лидсском университете, сказал: «Мы демонстрируем этот метод для кристаллографии, но это будет работать на любой решенный временем эксперимент, где исследование может быть закодировано. Этот новый метод означает, что, вместо того, чтобы иметь необходимость пойти в один из этих трех инструментов в мире, который может в настоящее время делать решенную временем кристаллографию, Вы можете пойти в любой beamline в любом синхротроне в основном, это в широком масштабе открывает область для подобных экспериментов».Соавтор доктор Робин Оуэн, Основной Ученый Beamline из Алмазного Источника света, сказал: «Красота подхода состоит в том, что он использует существующее оборудование по-новому, чтобы облегчить новую науку.
Новое использование Адамара преобразовывает, или многократное воздействие, подход помогает открыть дверь для решенной временем науки в намного более широком диапазоне beamlines и источников синхротрона, чем в настоящее время возможно. Эксплуатируя подход мы будем в состоянии получить многократные последовательные изображения белка, в то время как он выполняет свою функцию, обеспечивая намного более ясное понимание отношений между структурой и функцией».
Профессор Пол Рэйтби, Председатель Неорганической химии в Университете Бата, ведущем эксперте по решенной временем кристаллографии, который не был одним из авторов статьи, сказал: «Это – очень увлекательное развитие в области макромолекулярной и молекулярной кристаллографии. Новый метод позволит нам «следить» за химическими и биологическими процессами, поскольку они происходят способом, который не был возможен ранее и открывает новые перспективы исследования динамики молекул и материалов.
То, что является особенно захватывающим с моей точки зрения, – то, что метод может использоваться в моей области исследования, чтобы посмотреть на то, как «умные» материалы функционируют в режиме реального времени и помощь в дизайне следующего поколения электронных устройств и датчиков».