İnsanlık, Kriyo-Elektron Mikroskopu İle İlk Kez Atomları Tek Tek Görmekte

Kriyo-elektron mikroskopu olarak bilinen molekülleri görüntülemek için üretilen oyun değiştiren bir teknik, şimdiye kadarki en keskin görüntülerini üretti. Ve ilk kez, bir protein içindeki bireysel atomları fark etti.

Kriyojenik-elektron mikroskopisi (kriyo-EM) kullanarak atomik çözünürlük elde ederek, araştırmacılar, X-ışını kristalografisi gibi diğer görüntüleme teknikleri ile kolayca incelenemeyen proteinlerin çalışmalarını eşi benzeri görülmemiş bir şekilde anlayabileceklerdir.

Bilim adamları, geçen ayın sonlarında iki laboratuvar tarafından bildirilen atılımın, Kriyo-Elektron Mikroskopu’nun proteinlerin 3D şekillerini haritalamak için baskın bir araç olduğunu belirtiyor. Sonuçta, bu yapılar araştırmacıların proteinlerin sağlık ve hastalıkta nasıl çalıştığını anlamalarına ve daha az yan etkisi olan daha iyi ilaçlara yol açmasına yardımcı olacaktır.

“Bu gerçekten bir dönüm noktası, kesinlikle. Artık kırılacak hiçbir şey yok. Bu son bariyerdi. Diğeri, Cambridge, İngiltere’deki Tıbbi Araştırma Konseyi Moleküler Biyoloji Laboratuvarı’nda (MRC-LMB) yapısal biyolog olan Sjors Scheres ve Radu Aricescu tarafından yönetildi. Her ikisi de 22 Mayıs’ta bioRxiv baskı öncesi sunucusuna gönderildi.

Kanada’daki Toronto Üniversitesi’nde yapısal bir biyolog olan John Rubinstein, “Gerçek‘ atomik çözünürlük ”gerçek bir kilometre taşıdır. Birçok proteinin atom çözünürlüğü yapılarını elde etmek, proteinin esnekliği gibi diğer zorluklar nedeniyle hala göz korkutucu bir görev olacaktır. “Bu baskılar, bu diğer sınırlamaların giderilip giderilemeyeceğini gösterir” diye ekliyor.

teknobuk-kriyo-elektron-mikroskopu-atomları-tek-tek-görmek-sf-ici-2
Protein apoferritin’in bir Kriyo-elektron mikroskopu haritası. Kaynak: Paul Emsley / Moleküler Biyoloji MRC Laboratuvarı

Sınırları Aşmak

Kriyo-Elektron Mikroskopu, elektronları ateşleyerek ve elde edilen görüntüleri kaydederek flaşla dondurulmuş numunelerin şeklini belirleyen on yıllardır süren bir tekniktir. Riketleme elektronlarını tespit etme teknolojisindeki ve görüntü analiz yazılımındaki gelişmeler, 2013’te başlayan bir ‘çözünürlük devrimini’ katalize etti. Bu, her zamankinden daha keskin ve neredeyse X-ışını kristalografisinden elde edilen protein yapılarına, X-ışınları ile bombardımana tutulduklarında protein kristalleri tarafından yapılan kırınım modellerinden yapıları etkileyen daha eski bir teknik.

Sonraki donanım ve yazılım ilerlemeleri, kriyo-EM yapılarının çözünürlüğünde daha fazla gelişmeye yol açtı. Ancak bilim adamları, atomik çözünürlük yapıları elde etmek için büyük ölçüde X-ışını kristalografisine güvenmek zorunda kaldılar. Bununla birlikte, araştırmacılar kristalleşmek için bir protein almak için aylarca yıl harcayabilirler ve tıbbi olarak önemli birçok protein kullanılabilir kristaller oluşturmaz; kriyo-EM, aksine, sadece proteinin saflaştırılmış bir çözelti içinde olmasını gerektirir.

Atomik çözünürlük haritaları, tek bir atomun bir proteindeki konumunu, yaklaşık 1.2 øngströms (1.2 × 10-10 m) çözünürlükte net bir şekilde ayırt edebilecek kadar hassastır. Bu yapılar, enzimlerin nasıl çalıştığını anlamak ve etkinliklerini engelleyebilecek ilaçları tanımlamak için bu bilgileri kullanmak için özellikle yararlıdır.

Kriyo-EM’yi atomik çözünürlüğe itmek için, iki takım apoferritin adı verilen demir depolayan bir protein üzerinde çalıştı. Kaya gibi stabilitesi nedeniyle, protein cryo-EM için bir test yatağı haline gelmiştir: önceki rekor 1.54 ångströms çözünürlüğe sahip bir protein yapısıdır.

teknobuk-kriyo-elektron-mikroskopu-atomları-tek-tek-görmek-sf-ici-1

Ekipler daha sonra apoferritinin daha keskin fotoğraflarını çekmek için teknolojik gelişmeleri kullandılar. Stark’ın ekibi, elektronların bir örneğe çarpmadan önce benzer hızlarda hareket etmesini ve sonuçta elde edilen görüntülerin çözünürlüğünü arttırmasını sağlayan bir cihaz yardımıyla proteinin 1.25 -ngström yapısını elde etti. Scheres, Aricescu ve grupları benzer hızlarda hareket eden elektronları ateşlemek için farklı bir teknoloji kullandılar; ayrıca, bazı elektronların protein örneğinden ayrılmasından sonra oluşan gürültüyü azaltan bir teknolojinin yanı sıra daha hassas bir elektron algılayıcı kameradan da faydalandılar. Scheres, 1.2-ångström yapılarının o kadar eksiksiz olduğunu söylüyor, hem protein hem de çevre su moleküllerinde bireysel hidrojen atomlarını seçebiliyorlar.

Stark, teknolojileri eritmenin çözünürlükleri 1 ångström’e kadar zorlayabileceğini düşünüyor – ama daha fazla değil. “1 Å’nin altında cryo-EM’ye ulaşmak neredeyse imkansız” diyor. Ekibi, mevcut en son teknoloji ile böyle bir yapı elde etmenin “birkaç yüz yıllık veri kaydı ve gerçekçi olmayan bir miktarda hesaplama gücü ve veri depolama kapasitesi” gerektireceğini tahmin ediyor.

teknobuk-kriyo-elektron-mikroskopu-atomları-tek-tek-görmek-sf-ici-3-768x1024

Kriyo-Elektron Mikroskopu İle Atomları Açıkça Görmek

Scheres ve Aricescu, gelişimlerini GABAA reseptörü adı verilen bir proteinin basitleştirilmiş bir formunda da test ettiler. Protein nöronların zarında bulunur ve genel anestezikler, anksiyete ilaçları ve diğer birçok ilaç için bir hedeftir. Geçen yıl, Aricescu’nun ekibi, proteini 2.5 ångströms ile eşleştirmek için cryo-EM’yi kullandı. Ancak yeni kitle, araştırmacılar 1.7-ångström çözünürlüğe ulaştılar ve proteinin bazı önemli kısımlarında daha iyi çözünürlük elde ettiler. Aricescu, “Gözlerinizin üzerinde bir bulanıklık soymak gibiydi,” diyor. “Bu kararda, her yarım ångström bütün bir evren açar.”

Yapı, histamin adı verilen bir kimyasalın bulunduğu cebindeki su molekülleri de dahil olmak üzere proteinde daha önce hiç görülmemiş ayrıntıları ortaya çıkardı. “Bu yapı tabanlı ilaç tasarımı için bir altın madeni,” diyor Aricescu, çünkü bir ilacın su moleküllerini nasıl değiştirebileceğini gösteriyor ve bu da potansiyel olarak daha az yan etkiye sahip ilaçlarla sonuçlanıyor.

Scheres, GAPAA’nın apoferritin kadar kararlı olmayan bir atom çözünürlüğü haritası zor olacağını söylüyor. Toplanması gereken çok fazla veri nedeniyle, bunun imkansız olduğunu düşünmüyorum, ancak çok pratik olmaz. Ancak, özellikle protein örneklerinin nasıl hazırlandığı ile ilgili diğer gelişmeler, GABAA’nın ve diğer biyomedikal olarak önemli proteinlerin atomik çözünürlük yapılarının yolunu açabilir. Protein çözeltileri altından yapılmış küçük ızgaralar üzerinde dondurulur ve bu ızgaralarda yapılan değişiklikler proteinleri daha da sabit tutabilir.

Tokyo Üniversitesi’nden bir kriyo-EM uzmanı Radostin Danev, “Herkes MRC-LMB ve Max Planck gruplarının gösterdiği gerçekten şaşırtıcı performans seviyesinden çok heyecanlı ve şaşkın” diyor. Ancak numune hazırlamanın, alanın daha titrek proteinler için en büyük zorluğu olduğunu kabul ediyor. “Alt-1,5-Å, hatta alt-2-Å, çözünürlük performansına sadece iyi davranmış örneklere bir süre erişilebilecektir” diyor.

Atılımlar, çoğu yapısal çalışma için gidilecek araç olarak cryo-EM’nin konumunu güçlendirecek gibi görünüyor, diyor Scheres. Atomik çözünürlük yapılarını gözeten ilaç şirketlerinin kriyo-EM’ye dönüşmesi daha muhtemel olabilir. Ancak Stark, X-ışını kristalografisinin çekiciliğini koruyacağını düşünüyor. Bir protein kristalize edilebilirse – ve bu büyükse, kısa sürede binlerce potansiyel ilaca bağlı yapıları oluşturmak nispeten etkilidir. Ancak, son derece yüksek çözünürlüklü kriyo-EM yapıları için yeterli veri üretmek yine de saatler sürüyor.

Stark “Tekniklerin her biri için hala artıları ve eksileri var,” diyor. “İnsanlar kriyo-EM’deki bu son gelişmelerin X-ışını için ölüm sinyali olacağını söyleyen birçok makale ve inceleme yayınladı. Bundan şüpheliyim. ” diye de ekliyor.

Kaynak

Bu Haberi Paylaş

İlginizi Çekebilir

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir