的基本方法,基于结构的晶体学没有真的改变了自1913年以来,当父子二人,w·h·w·l·布拉格,解决了第一个结构的材料在原子分辨率。
“基础实验是火一束x射线结晶层的无论你学习,你可以计算分子的结构的衍射模式,”布莱恩·萨顿教授说,伦敦国王学院的分子生物物理学教授。
四十年后,图像的x射线衍射罗莎琳德富兰克林发现了一个最著名的分子结构决定的,沃森和克里克的DNA双螺旋结构。
“我们一直的咒语,如果你知道结构,你能理解它是如何工作的——这无疑是对DNA,”萨顿说。
的x射线晶体学领域充斥着诺贝尔奖并将继续改变我们对物质的结构的理解,影响广泛,横跨物理,化学,生物学和医学。
更强烈的x射线
作为技术仍高度依赖于材料三维在一个常规数组中,最大的挑战仍然是获得足够的规模和质量的晶体。
“因为生物分子有很多固有的灵活性和异质性,它可以很难得到高质量的晶体,”安德鲁·莱斯利博士解释说,组长在剑桥大学医学研究委员会分子生物学实验室。
但强大的新x射线源,许多数量级高于可以在实验室完成,正在帮助绕过这一挑战。如今,几乎所有的结构是解决在粒子加速器使用收集的数据称为同步加速器,比如在英国钻石光源在哈维尔,或欧洲同步辐射中心在法国格勒诺布尔。
“他们减少数据收集时间如果你有大的晶体,但你也可以得到较小的晶体数据真的产生了巨大的影响,”萨顿说。
戏剧性的改善速度也帮助研究人员克服异质性在晶体质量。
“你可能想从30晶体来找到最好的收集数据,能够这样做在一个现实的时间你需要能够快速收集数据,”莱斯利解释说。
毁灭的衍射
最近,x射线自由电子激光(XFELs)可以产生非常强烈的脉冲x射线的政权,是为解决sub-microscopic晶体提供新的机遇。
”这些新来源的想法是水晶的飞秒光脉冲如此强烈,它吹水晶,”莱斯利解释说。
然而,这种破坏性的方法意味着可以只生成一个图像为每个晶体。但是完成结构分析,数以百计,或者经常需要成千上万的衍射图像。
“所以人们收集成千上万的图像通过晶体在喷射流流动x射线和收集从每一个形象,”莱斯利说。
2017年,科学家首次证明了使用这种方法的巨大潜力解决牛肠病毒的结构(BEV2)。
使纳米分子的电影
这些高能量来源以及提高温度通常用于x射线衍射,是打开一个时间分辨结构研究的新时代。
传统上,结构生物学家他们的注意力集中于收集数据从一个单晶在所有可能的旋转,使用低温下限制x射线的伤害。然而,这种方法只提供一个静态的画面。
“在过去,你的蛋白质被困在一个晶体取向,但在现实中,这可能是脉动,”萨顿解释道。
执行在室温下连续分析和/或使用XFELs,打开门看这些微妙的分子运动,可能是至关重要的功能。它还提供了令人兴奋的前景的可视化交互式过程的所有阶段,如酶在催化循环,抗原或抗体绑定。
“如果你能在晶体流经梁可以把所有流程的各个阶段的快照在一起,拍一部电影,”萨顿解释道。
科学家们正在进行这些令人兴奋的研究。
“我们真的不能做这个之前,但现在我们可以——你可以看看埃的原子移动的过程只是分数或纳米,”萨顿兴奋地说。
制模的帮助下电脑
先进的数据收集、分析和存储也使研究人员可以研究更复杂的生物结构,使用复杂的软件和图形程序会自动建立初始模型。
“人们甚至可以得到一个初始结构虽然仍在收集数据的同步,”莱斯利说。
然而,第一次尝试从来都不是完美的,总是需要进一步细化之后,仔细验证。
“可能是精致扭曲它,所以我们需要检查的最终模型预期的立体化学,”莱斯利解释说。
研究人员将存款到最终的坐标蛋白质数据库(PDB),一个中央存储库与蛋白质的三维形状信息,大分子和复杂的组件,它现在包含超过140000个结构。的剑桥结构数据库,其中包含超过900000个条目,为小分子提供了一个类似的资源。
“他们对模型和运行自己的验证工具突出任何他们认为是不寻常的或错误的,问你回去仔细看,“莱斯利解释说。
如今,在最简单的情况下,创建的整个过程晶体得到最终结构可以在几周内完成。
基于结构的药物设计
x射线结晶学的蓝天目标是让信息从其分子结构的功能。但其最明显的实际应用药物设计例示它的力量,许多显著的成功包括艾滋病毒和癌症的药物。
g蛋白耦合受体(GPCRs)是一个家庭的跨膜信号蛋白中至关重要的药理学由于其实质性参与不同的疾病,据估计三分之一的药物目标。尽可能多的脱靶效应,研究人员一直试图推断出许多GPCRs援助的结构的设计更有针对性的药物更少的副作用。然而,多年来他们已经证明了极难破解不稳定,很难结晶。
“人们已经在这工作了30年以上,没有进展,但在过去10年左右有一个数量剧增的GPCRs结构决定的,”莱斯利兴奋地说。
以及教学生物学家更多关于GPCRs工作,这一系列结构信息也加速药物发现。
“现在有很多化合物在不同阶段的临床试验,在此基础上从结晶学结构信息,”莱斯利说。
研究性质的最小的细节
一个多世纪自成立以来,x射线晶体学继续产生巨大影响在生物学和医学的许多领域,但基本方法是相同的。
“这是令人惊讶的,即使所有的新技术,你仍然只是发射x射线在分子有序排列和工作从衍射图样的原子在哪里,”萨顿说。
最大的挑战仍然是在生成晶体,但技术的进步使研究人员能够增加他们的目录结构和观察微小分子的运动,可能是至关重要的函数。
不难理解为什么那些在地里干活如此热爱他们的工作。
“我爱首次看到的结构,这是一个美妙的感觉,”萨顿兴奋地说。
