科学家使用连续晶体学来增强分子电影并揭示抗生素耐药性

Eadweard Muybridge拍摄的令人振奋的马匹照片在创造电影的前身时点燃了世界。对于今天的科学家来说，对世界上最强大的硬X射线光源之一进行新的升级可以改善分子电影的制作方式。这些可能会揭示不同化学物质的隐藏秘密，可能为新的治疗方法和药物铺平道路。

科学家通常使用不同形式的晶体学技术来重建蛋白质的分子结构。美国能源部(DOE)阿贡国家实验室的研究人员现在已经使用并扩展了一种称为连续晶体学的新方法，该方法以前是在X射线自由电子激光设施中开发的。基于这项研究的一篇论文发表在Nature Communications上。

将连续晶体学与短时间尺度(从十分之一秒到百分之一秒)的观察相结合，使科学家能够检测化学反应过程中蛋白质和结合分子形状的实时变化。与以前的晶体学形式相比，该技术具有独特的优势，因为单个晶体可以更小，并且只需要用X射线束照射一次，并且在短时间内。

即将升级为阿贡的高级光子源(APS)，这是位于阿贡的美国能源部科学办公室用户设施，将产生比该设施目前产生的X射线束亮500倍的X射线束。这将使连续晶体学在APS上更广泛地可用，Argonne杰出研究员Andrzej Joachimiak说，他也是APS结构生物学中心(SBC)的主任和芝加哥大学的教授。

“连续晶体学确实处于起步阶段，并且在很大程度上是自由电子激光器专业设施的范围，”Joachimiak说。“通过APS升级，我们将有能力研究发生的各种反应，特别是对于生物系统。

在最近与芝加哥大学研究人员合作的一项实验中，Joachimiak使用连续晶体学来检查抗生素药物和从耐药病原体中分离的酶的反应。这一结果可能有助于研究人员更好地了解使某些细菌获得抗生素耐药性的分子机制。

研究小组利用了19-ID光束线的SBC和由芝加哥大学管理的14-ID的BioCARS光束线的专业功能。根据BioCARS研究光束线科学家和该论文的合著者Vukica Srajer的说法，光束线是世界上少数可以在令人难以置信的短时间尺度上进行连续晶体学的光束线之一。研究人员使用BioCARS进行时间分辨的连续晶体学。

通过对含有数千个单个蛋白质微晶悬浮液的塑料芯片进行X射线扫描，Joachimiak和他的同事能够快速准确地重建几种蛋白质结构。研究人员使用了一种“泵浦探针”技术，他们将紫外线照射在样品上以引发反应。然后，他们使用X射线束在不同时间点观察结果。

“以前进行这种晶体学的尝试会在我们获得完整数据之前破坏晶体，”Joachimiak说。“因为我们只在很短的时间内将X射线束照射在每个特定的晶体上，所以我们可以从一个芯片获得超过40，000张图像。这大大加快了我们的晶体学工作，并使我们能够在几个时间尺度上看到蛋白质机制，我们以前从未能够解决。

根据Joachimiak的说法，进行连续晶体学的优势在于，它允许科学家观察蛋白质结构的变化。就酶而言，它还使科学家能够观察酶的活性位点如何与另一种分子或底物相互作用。

在这项研究中，Joachimiak和他的同事观察了一种称为β-内酰胺酶的蛋白质 - 酶复合物，它使某些病原体具有抗生素耐药性。通过连续晶体学，研究人员能够注意到锌原子的积聚，触发酶突破抗生素分子。

“这就像你试图打开一个盖子卡住的罐子，”Joachimiak说。“你不停地扭曲，它最初不动，直到最终它突然让位。

根据Joachimiak的说法，水分子被锌离子激活以破坏抗生素的键。“连续晶体学向我们展示了锌何时使反应发生，”他说。“你可以实时观看它发生。

波兰Jagellonian大学的研究员，芝加哥大学的前博士后研究员Mateusz Wilamowski也帮助进行了这项研究，他说，解决这一类特殊分子动力学的能力可能具有广泛的影响。“还有许多其他类似的蛋白质依赖于类似的机制，”他说。“没有人能够研究我们能够可视化的分子的中间转变。

Joachimiak解释说，常规的蛋白质晶体学不允许产生这些分子电影，因为科学家在破坏晶体之前只能收集少量图像。“这确实是一项革命性的技术，将对我们如何观察并最终设计更好的药物产生巨大影响，”他说。

Wilamowski还认为，这些结果将有助于实现智能药物设计，因为未来的研究可以将APS升级与量子力学计算相结合，以改进现有的分子。