Neuartige Methode zur Analyse von Proteinkristallen könnte neue Wege für die Arzneimittelentwicklung eröffnen

Eine neue Methode zur Analyse von Proteinkristallen – entwickelt von Forschern der Cornell University und mit einem ausgefallenen zweiteiligen Namen versehen – könnte Anwendungen für die Entdeckung neuer Arzneimittel und andere Bereiche der Biotechnologie und Biochemie eröffnen.

Die Entwicklung wird in einem am 3. März veröffentlichten Papier beschrieben Naturkommunikation, stellt Forschern die Werkzeuge zur Verfügung, um die einst verworfenen Daten aus Röntgenkristallographie-Experimenten zu interpretieren – eine wesentliche Methode zur Untersuchung der Strukturen von Proteinen. Diese Arbeit, die auf einer im Jahr 2020 veröffentlichten Studie aufbaut, könnte zu einem besseren Verständnis der Bewegung, Struktur und Gesamtfunktion eines Proteins führen.

Die Proteinkristallographie erzeugt helle Flecken, sogenannte Bragg-Peaks, aus den Kristallen und liefert hochauflösende Informationen über die Form und Struktur eines Proteins. Dieser Prozess erfasst auch verschwommene Bilder – Muster und Wolken, die mit der Bewegung und Vibration der Proteine ​​zusammenhängen –, die im Hintergrund der Bragg-Gipfel verborgen sind.

Diese Hintergrundbilder werden normalerweise verworfen, wobei den hellen Bragg-Peak-Bildern, die einfacher zu analysieren sind, Vorrang eingeräumt wird.

„Wir wissen, dass dieses Muster mit der Bewegung der Atome des Proteins zusammenhängt, aber wir konnten diese Informationen nicht nutzen“, sagte Hauptautor Steve Meisburger, ein ehemaliger Postdoktorand im Labor von Nozomi Ando, ​​außerordentlicher Professor für Chemie und chemische Biologie am College of Arts and Sciences. „Die Informationen sind da, aber wir wussten nicht, wie wir sie nutzen sollten. Jetzt wissen wir es.“

Meisburger arbeitete eng mit Ando zusammen, um den robusten Arbeitsablauf zur Dekodierung der schwachen Hintergrundsignale aus Kristallographieexperimenten namens diffuse Streuung zu entwickeln. Dadurch können Forscher die Gesamtstreuung von Kristallen analysieren, die sowohl von der Struktur des Proteins als auch von der subtilen Unschärfe seiner Bewegungen abhängt.

Ihre zweiteilige Methode – die das Team GOODVIBES und DISCOBALL nannte – liefert gleichzeitig eine hochauflösende Struktur des Proteins und Informationen über seine korrelierten Atombewegungen.

GOODVIBES analysiert die Röntgendaten, indem es die Bewegungen – subtile Vibrationen – des Proteins von anderen Proteinen trennt, die sich möglicherweise um es herum bewegen. DISCOBALL validiert diese Bewegungen für bestimmte Proteine ​​unabhängig direkt anhand der Daten, sodass Forscher den Ergebnissen von GOODVIBES vertrauen und verstehen können, was das Protein möglicherweise tut.

Ando sagte, dass das Potenzial der diffusen Streuung zwar schon seit langem erkannt werde, die genaue Messung des subtilen Signals bei gleichzeitiger Verarbeitung der Daten für etwas Nützliches jedoch sehr schwierig sei.

„Die Analyse ist viel rechenintensiver als der Versuch, nur Kristallographiedaten zu analysieren“, sagte Ando. „Wir haben bei der diffusen Streuung viel mehr Daten zu verarbeiten, weil wir überall gleichzeitig hinschauen und das Signal auch sehr nuanciert ist.“

Das übergeordnete Ziel, sagte Ando, ​​bestehe darin, GOODVIBES und DISCOBALL zu einer echten Strukturtechnik zu machen, die von Forschern an Synchrotrons auf der ganzen Welt genutzt werden könne.

„In den Bereichen Strukturbiologie und Biochemie besteht großes Interesse an der Nutzung dieses Signals“, sagte Ando. „Wir haben uns nicht damit zufrieden gegeben, nur zu verstehen, was im Signal enthalten ist; es war für uns wirklich wichtig, den nächsten Schritt zu machen, die Tools zu erstellen und GOODVIBES und DISCOBALL anderen zur Verfügung zu stellen, damit sie diese Tools verwenden und ihre Hypothesen testen können.“

Diese Methoden wurden unter Verwendung von Lysozymproteinen entwickelt, die an der Cornell High Energy Synchrotron Source (CHESS) gesammelt wurden; Die Ando-Gruppe wird in diesem Frühjahr zu CHESS zurückkehren, um mit Meisburger, jetzt wissenschaftlicher Mitarbeiter bei CHESS, mit ihrer neuen Methode an komplexeren Proteinstrukturen zusammenzuarbeiten.

Durch die Isolierung der internen Bewegungssignale aus den gesamten Streudaten dieser komplexen Proteine ​​können Forscher mehr darüber erfahren, wie sich Proteine ​​bewegen und mit anderen wichtigen Molekülen interagieren. Diese Informationen können genutzt werden, um neue Medikamente und Therapien zu entwickeln, die auf bestimmte Proteine ​​abzielen.