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X射线激光瞄准器显示药物目标

莫斯科物理科学与技术研究所的研究人员发表了关于连续飞秒晶体学的综述,这是分析蛋白质三级结构的最有前途的方法之一。这种技术在过去十年中迅速发展,为合理设计针对以前结构分析无法获得的蛋白质的药物开辟了新的前景。该文章发表在“药物发现专家意见”杂志上。

X射线晶体学

X射线晶体学是揭示生物大分子(如蛋白质)三维结构的主要方法之一。它有助于确定许多药理学上重要的酶和受体的结构,使得能够设计靶向这些蛋白质的药物。

该方法包括使蛋白质结晶并通过X射线衍射研究它。首先,分离和纯化蛋白质。然后溶剂逐渐变干。结果,正在研究其结构的分子形成晶体,其特征在于内部有序。通过在特殊装置中将晶体暴露于X射线,研究人员获得了衍射图案。它包含有关晶体中原子位置的信息。对模式的仔细分析揭示了组成蛋白质分子的3D结构。

在这种方法出现之前,新药大多是经验性的:要么通过改变已知影响目标蛋白的分子的结构,要么通过分析化学库中的分子阵列。现在许多目标蛋白质的三维结构已经可用,研究人员可以在计算机屏幕上查看它们,并快速排序数百万种寻找候选药物的化合物。这样他们就节省了以前在化学合成和“湿”实验上花费的大量时间和金钱。

X射线晶体学对于大,稳定和均匀的晶体产生良好的结果 - 即没有杂质或结构缺陷。为了更好地检测弱衍射信号,需要强大的辐射脉冲,但不能破坏晶体。在传统的X射线晶体学中,蛋白质晶体在X射线束中旋转以产生用于各种空间取向的衍射图案。这可以捕获有关结构的最大信息。

棘手目标的方法

X射线晶体学出现后不久,很明显并非所有生物大分子都能结晶。一些蛋白质通常溶解在内细胞培养基中。因此,将它们溶解,蒸发并获得大的常规晶体是相当容易的。但是,膜蛋白,其中的许多受体,形成的晶体不够大且纯度足以用于标准X射线晶体学。也就是说,许多这些蛋白质参与疾病的发展,这意味着它们的结构对药理学家来说非常重要。

不到十年前,人们发现了膜蛋白的解决方案。这种称为连续飞秒X射线晶体学或SFX的新技术依赖于SFX之前不久开发的X射线自由电子激光器(图1)。

该研究的共同作者,MIPT受体结构生物学实验室副主任Alexey Mishin解释说:“它是一项突破性技术的原因是激光脉冲的能量密度非常高。该物体暴露于如此强大的能量密度下。它不可避免地几乎立即分崩离析。但在此之前,激光脉冲的某些量子会从样品中散射出来并最终到达探测器。这就是所谓的衍射前破坏原理,用于研究结构原蛋白质。“

X射线自由电子激光器在生物学之外被证明是有用的:在过去几年中,SFX也越来越多地被物理学家和化学家使用。第一台设备于2009年开始供实验人员使用,现在有五个中心向美国,日本,韩国,德国和瑞士的研究人员开放。中国正在建设一个新工厂,而美国工厂 - 历史上第一个 - 已经宣布了现代化计划。

虽然这项新技术为研究人员提供了以前逃避分析的蛋白质结构的一瞥,但它也促进了新颖的技术和数学解决方案。传统的X射线晶体学涉及将一种晶体暴露于来自各种角度的辐射并共同分析所得的衍射图案。在SFX中,通过与强大的X射线脉冲的第一次相互作用,晶体立即被破坏。因此研究人员需要用许多小晶体重复这个过程,并分析由此产生的“序列”数据,因此该方法的名称。

另一个挑战是选择SFX的样品。在传统的X射线晶体学中,只需选择最大和最高质量的晶体即可。这可以通过瞄准可用样本手动完成。新程序需要使用不同尺寸和质量的许多小晶体悬浮液。具有已知孔尺寸的离心机和过滤器用于按尺寸分离晶体。

还必须详细说明将样品放入室中的方法。X射线自由电子激光器具有一定的最大频率,在该频率下它们可以发射辐射脉冲。为了减少费用和时间消耗,应以相同的频率将新晶体送入腔室。到目前为止,已经开发了两种方法来做到这一点。在第一个之下,晶体以液体悬浮液进入腔室,由注射器供应。离开喷射器的射流被气流“挤压”以确保正确的样品放置。也就是说,当通过时,晶体正好在激光束的中心处结束(图2,左)。或者,蛋白质晶体可以散布在对X射线透明的基底上,并在每次脉冲之前自动进入激光束(图2,右图)。

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