Eadweard Muybridges elektrisierende Fotos eines galoppierenden Pferdes versetzten die Welt in Flammen, als er den Vorläufer dessen schuf, was zu Kinofilmen wurde. Für die Wissenschaftler von heute könnte ein neues Upgrade einer der weltweit leistungsstärksten Lichtquellen für harte Röntgenstrahlung die Art und Weise verbessern, wie molekulare Filme erstellt werden. Diese könnten verborgene Geheimnisse verschiedener Chemikalien enthüllen und möglicherweise den Weg für neue Behandlungen und Arzneimittel ebnen.
Wissenschaftler verwenden normalerweise verschiedene Formen einer Technik namens Kristallographie, um die molekulare Struktur von Proteinen zu rekonstruieren. Forscher des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) haben nun eine neue Methode namens serielle Kristallographie verwendet und erweitert, die zuvor in Freie-Elektronen-Röntgenlaseranlagen entwickelt wurde. Eine auf der Studie basierende Abhandlung erschien Naturkommunikation.
Die Kombination von serieller Kristallographie mit Beobachtungen über kurze Zeitskalen (von einer Zehntel- bis zu einer Hundertstelsekunde) ermöglicht es Wissenschaftlern, Echtzeitänderungen in der Form von Proteinen und gebundenen Molekülen während chemischer Reaktionen zu erkennen. Die Technik bietet einen einzigartigen Vorteil gegenüber früheren Formen der Kristallographie, da einzelne Kristalle kleiner sein können und sie nur einmal und für kurze Zeit mit Röntgenstrahlen beleuchtet werden müssen.
Das bevorstehende Upgrade der Advanced Photon Source (APS) von Argonne, einer Benutzereinrichtung des DOE Office of Science in Argonne, wird Röntgenstrahlen erzeugen, die bis zu 500-mal heller sind als die derzeit in der Einrichtung erzeugten. Dies wird eine breitere Verfügbarkeit der seriellen Kristallographie an der APS ermöglichen, sagte Argonne Distinguished Fellow Andrzej Joachimiak, der auch Direktor des Structural Biology Center (SBC) an der APS und Professor an der University of Chicago ist.
„Die serielle Kristallographie steckt noch in den Kinderschuhen und war bisher weitgehend das Aufgabengebiet spezialisierter Einrichtungen mit Freie-Elektronen-Lasern“, sagt Joachimiak. „Mit dem APS-Upgrade werden wir die Möglichkeit haben, alle Arten von Reaktionen zu untersuchen, während sie ablaufen, insbesondere für biologische Systeme.“
Schnappschüsse der Moxalactam-Spaltung durch L1 von S. maltophilia, aufgenommen von TR-SSX (20 – 4000 ms). Protein ist gelb, Zinkionen magenta, Wassermoleküle sind rot markiert, Moxalactam ist in Stabdarstellung mit Kohlenstoffatomen in grün vor der β-Lactam-Spaltung, orange direkt nach der Spaltung (150 ms) und blau im Endprodukt während der Konformationsanpassungen. Der Film zeigt Konformationsänderungen am Modell von Moxalactam im aktiven Zentrum von L1. Kredit: Naturkommunikation (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-35029-3
In einem kürzlich zusammen mit Forschern der University of Chicago durchgeführten Experiment verwendete Joachimiak eine serielle Kristallographie, um die Reaktion eines Antibiotikums und eines Enzyms zu untersuchen, das aus einem arzneimittelresistenten Krankheitserreger isoliert wurde. Das Ergebnis könnte dazu beitragen, den Forschern eine bessere Vorstellung von den molekularen Mechanismen zu vermitteln, die es bestimmten Bakterien ermöglichen, Antibiotikaresistenzen zu erlangen.
Das Forschungsteam nutzte SBC an der Beamline 19-ID und die spezialisierten Fähigkeiten der BioCARS-Beamline an 14-ID, die von der University of Chicago verwaltet wird. Laut Vukica Srajer, Beamline-Wissenschaftlerin bei BioCARS und Co-Autorin des Artikels, ist die Beamline eine der wenigen weltweit, die serielle Kristallographie in unglaublich kurzen Zeitskalen durchführen kann. Die Forscher verwendeten BioCARS, um eine zeitaufgelöste serielle Kristallographie durchzuführen.
Durch einen Röntgenscan eines Plastikchips, der eine Suspension aus Tausenden einzelner Protein-Mikrokristalle enthielt, konnten Joachimiak und seine Kollegen mehrere Proteinstrukturen schnell und genau rekonstruieren. Die Forscher verwendeten eine „Pump-Probe“-Technik, bei der sie die Probe mit ultraviolettem Licht bestrahlten, um eine Reaktion auszulösen. Anschließend verwendeten sie den Röntgenstrahl, um das Ergebnis zu verschiedenen Zeitpunkten zu beobachten.
„Frühere Versuche, diese Art von Kristallographie durchzuführen, würden die Kristalle zerstören, bevor wir die vollständigen Daten erhalten konnten“, sagte Joachimiak. „Da wir die Röntgenstrahlen nur für einen sehr kurzen Zeitraum auf jeden einzelnen Kristall richten, können wir über 40.000 Bilder von einem Chip erhalten. Dies beschleunigt unsere Kristallographie-Bemühungen erheblich und gibt uns die Möglichkeit, in Proteine hineinzuschauen Mechanismen über mehrere Zeitskalen, die wir noch nie zuvor lösen konnten.“
Der Vorteil der seriellen Kristallographie besteht laut Joachimiak darin, dass Wissenschaftler Änderungen in der Proteinstruktur beobachten können, während sie auftreten. Im Falle eines Enzyms gibt es den Wissenschaftlern auch die Möglichkeit zu untersuchen, wie das aktive Zentrum des Enzyms mit einem anderen Molekül oder Substrat interagiert.
In der Studie untersuchten Joachimiak und seine Kollegen einen Protein-Enzym-Komplex namens Beta-Lactamase, der bestimmten Krankheitserregern eine Antibiotikaresistenz verleiht. Mit serieller Kristallographie konnten die Forscher eine Ansammlung von Zinkatomen feststellen, die das Enzym dazu veranlassten, das Antibiotikamolekül zu durchbrechen.
„Es ist, als würde man versuchen, ein Glas mit festsitzendem Deckel zu öffnen“, sagte Joachimiak. „Du drehst und drehst dich weiter und es bewegt sich zunächst nicht, bis es schließlich plötzlich nachgibt.“
Laut Joachimiak wird ein Wassermolekül durch Zinkionen aktiviert, um die Bindung des Antibiotikums zu brechen. „Die serielle Kristallographie zeigt uns genau, wann das Zink die Reaktion auslöst“, sagte er. „Man kann in Echtzeit zusehen, wie es passiert.“
Mateusz Wilamowski, Forscher an der Jagiellonen-Universität in Polen und ehemaliger Postdoktorand an der University of Chicago, der ebenfalls an der Durchführung der Forschung mitgewirkt hat, sagte, dass die Fähigkeit, die Dynamik dieser speziellen Klasse von Molekülen aufzulösen, weitreichende Auswirkungen haben könnte. „Es gibt viele andere Proteine wie dieses, die auf ähnlichen Mechanismen beruhen“, sagte er. „Niemand war in der Lage, die Zwischenübergänge des Moleküls zu untersuchen, die wir visualisieren konnten.“
Die normale Proteinkristallographie erlaube es nicht, diese molekularen Filme zu erstellen, da Wissenschaftler nur eine Handvoll Bilder sammeln können, bevor sie den Kristall zerstören, erklärte Joachimiak. „Es ist wirklich eine revolutionäre Technik, die einen großen Einfluss darauf haben wird, wie wir bessere Medikamente beobachten und letztendlich entwickeln können“, sagte er.
Wilamowski glaubt auch, dass die Ergebnisse dazu beitragen werden, ein intelligentes Arzneimitteldesign zu ermöglichen, da zukünftige Forschung das APS-Upgrade mit quantenmechanischen Berechnungen koppeln könnte, um bereits vorhandene Moleküle zu verbessern.
Mehr Informationen:
M. Wilamowski et al, Zeitaufgelöste β-Lactam-Spaltung durch L1-Metallo-β-Lactamase, Naturkommunikation (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-35029-3