Yuan Gao, Wuxian Shi, Evgeny Nazaretski, Stuart Myers, Weihe Xu et, Martin Fuchs a conçu et mis en œuvre le nouveau système de scanner goniomètre pour une cristallographie de protéines en série ultra-rapide et efficace sur la ligne de faisceau de la cristallographie macromoléculaire à microfocalisation Frontier (FMX) de la National Synchrotron Light Source II. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
Une équipe de scientifiques et d'ingénieurs du laboratoire national de Brookhaven du département américain de l'Énergie (DOE) a développé un nouvel instrument scientifique qui permet une caractérisation ultra-précise et à grande vitesse des cristaux de protéines à la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II)— une installation utilisateur du DOE Office of Science à Brookhaven, qui génère des rayons X à haute énergie qui peuvent être exploités pour sonder les cristaux de protéines. Appelé goniomètre FastForward MX, cet instrument avancé augmentera considérablement l'efficacité de la cristallographie des protéines en réduisant le temps d'exécution des expériences de quelques heures à quelques minutes.
La cristallographie des protéines est une technique de recherche essentielle qui utilise la diffraction des rayons X pour découvrir les structures 3-D des protéines et d'autres molécules biologiques complexes, et comprendre leur fonction au sein de nos cellules. En utilisant ces connaissances sur la structure de base de la vie, les scientifiques peuvent faire progresser la conception de médicaments, améliorer les traitements médicaux, et démêler d'autres processus environnementaux et biochimiques qui régissent notre vie quotidienne.
Pour que cette technique fonctionne, les protéines doivent être cristallisées et les protéines les plus difficiles ne se développent souvent qu'en minuscules microcristaux. Pour reconstruire ces structures protéiques complexes, les scientifiques doivent mesurer les données de diffraction des rayons X à partir de milliers de microcristaux et fusionner les données collectées, une technique appelée cristallographie en série. Ces mesures prennent actuellement des heures à des instruments de recherche hautement spécialisés et avancés sur des lignes de faisceaux de cristallographie macromoléculaire synchrotron. Des lignes de lumière de cristallographie macromoléculaire peuvent être trouvées dans presque toutes les installations de rayonnement synchrotron dans le monde et utilisent les rayons X intenses des sources lumineuses pour caractériser la structure atomique des protéines.
"En utilisant notre nouveau goniomètre FastForward MX ultra-rapide et de haute précision, nous sommes en mesure de collecter des données de cristallographie en série si rapidement que des ensembles de données complets peuvent désormais être acquis en quelques minutes seulement, " a déclaré Martin Fuchs, le scientifique principal de la ligne de lumière Frontier Microfocusing Macromolecular Crystallography (FMX) à NSLS-II. "Notre nouveau goniomètre tire pleinement parti des propriétés exceptionnelles du faisceau de NSLS-II, et donc des meilleurs rayons X brillants au monde disponibles sur notre ligne de lumière."
Yuan Gao et Wuxian Shi ont testé le nouveau système de scanner goniomètre sur la ligne de lumière FMX en caractérisant deux structures protéiques bien connues. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
L'équipe a développé le nouveau goniomètre spécifiquement pour la ligne de lumière FMX d'une taille d'un micromètre, faisceau de rayons X intense. Le FMX offre désormais aux chercheurs une capacité unique de mesurer les données de diffraction des rayons X à partir de cristaux incroyablement minuscules à des taux beaucoup plus élevés qu'avec toute autre source de lumière synchrotron.
« La petite taille du faisceau, associée à notre nouvelle technique de balayage rapide, nous permet de déterminer la structure de molécules biologiques à partir de minuscules cristaux de protéines qui n'auraient auparavant pas été assez grands pour collecter des données, " dit Fuchs.
Le goniomètre peut positionner des cristaux de protéines avec une précision de 25 nanomètres (4, 000 fois plus petit que la largeur d'un cheveu humain) et garantit que le minuscule faisceau de rayons X peut illuminer avec précision les microcristaux pour les mesures de diffraction.
« Pour atteindre cette précision et cette vitesse, nous devions relever de nombreux défis technologiques. Par exemple, nous devions développer un moyen de déplacer le cristal dans ces étapes extrêmement petites et, à la fois, mesurer ces petits mouvements, " a déclaré Evgeny Nazaretski, un physicien et spécialiste de l'instrumentation de microscopie à rayons X à NSLS-II. "Nous avons dû combiner l'expertise de différents domaines tels que la microscopie à rayons X et la biologie structurale pour permettre ce type de développement."
Le nouveau système de scanner goniomètre sera bientôt disponible pour les groupes d'utilisateurs généraux de la ligne de lumière FMX, et ouvrira la voie à la détermination de la structure à partir de cristaux plus petits que jamais. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
Le programme de recherche et développement dirigé par le laboratoire de Brookhaven a financé le processus de conception et de construction de deux ans, y compris toutes les étapes de la conception conceptuelle et de la caractérisation en laboratoire à l'intégration du système dans l'environnement expérimental de la ligne de lumière FMX. Yuan Gao, un associé de recherche dans ce projet, testé minutieusement le goniomètre au cours du développement pour sa stabilité et ses performances optimales et a démontré des vitesses de balayage allant jusqu'à 100 Hertz et des taux d'acquisition de données de 750 images/seconde. Une seule expérience de cristallographie en série peut nécessiter des centaines de milliers d'images de date.
Pour démontrer les performances du goniomètre nouvellement développé, l'équipe l'a utilisé pour caractériser les structures de deux protéines bien connues, trypsine bovine et protéinase K, et comparé leurs nouvelles reconstructions aux connaissances existantes sur ces deux structures protéiques.
« Nous avons mesuré ces deux protéines connues à l'aide du goniomètre FastForward de FMX et avons développé un flux de travail de traitement des données qui a automatiquement analysé les données au fur et à mesure que nous les collections, " dit Wuxian Shi, un scientifique de la ligne de lumière FMX. "Avec ça, nous avons pu résoudre les structures et montrer que les données donnaient des structures de haute résolution et de haute qualité, même aux vitesses de collecte les plus rapides."
Comme prochaine étape, l'équipe travaille pour permettre l'échange robotique d'échantillons pendant les expériences afin d'augmenter encore plus le débit de la ligne de lumière FMX. Ce système sera ensuite mis à disposition des groupes d'utilisateurs généraux de la ligne, et ouvrir la voie à la détermination de la structure à partir de cristaux plus petits que jamais.
