2012年9月8日 訊 /生物谷BIOON/ --利用同步加速器X射線光束(synchrotron x-ray beam)來解析蛋白和其他生物大分子的結(jié)構(gòu)在醫(yī)學上取得很大進步,?？茖W家們獲得的技術(shù)進步能夠?qū)е滤麄內(nèi)〉酶蛹尤诵牡倪M步。最近,，來自美國國家同步幅射光源(National Synchrotron Light Source, NSLS)和,、紐約結(jié)構(gòu)生物學中心和哥倫比亞大學的研究人員發(fā)現(xiàn)一種新方法來確定通過其他方法很難或者不可能解析的分子結(jié)構(gòu)。他們的研究發(fā)表在《科學》期刊上,。
利用大分子X射線晶體學確定蛋白結(jié)構(gòu)的過程必須要首先培養(yǎng)純的分子晶體,。當靶分子擁有相似的結(jié)構(gòu)類似物時,，這種過程更加容易。但是當靶分子沒有結(jié)構(gòu)類似物時,，科學家們面臨著“相位問題”,，即缺乏描述入射X射線光波“相位”的關(guān)鍵性信息。當一個檢測器記錄X射線衍射圖時,，它能夠檢測強度,，但是不能檢測相位，但是沒有相位時,，分子結(jié)構(gòu)就不能被完全解析出,。
當存在不相關(guān)的結(jié)構(gòu)時，有兩種其他的方法來評估相位,。這些方法當中有兩種方法都是屬關(guān)于X射線晶體技術(shù)的：多波長異常衍射(multiwavelength anomalous diffraction, MAD),，它利用多種波長的X射線；單波長異常衍射(single-wavelength anomalous diffraction, SAD),，它只利用一個波長的X射線,。這兩種技術(shù)通常都涉及加入硒到晶格(通過氨基酸衍生物硒代蛋氨酸，它容易整合進蛋白)之中,，和掃描硒原子整個邊上的X射線光束,。
硒是一種比在蛋白中通常發(fā)現(xiàn)的那些原子---比如碳、氮和氧---都要重,，它吸收X射線,，而且通過元素特異性共振再次發(fā)射X射線。根據(jù)這種共振衍射數(shù)據(jù),，科學家們能夠確定相位,。
在這項新研究中，研究人員開發(fā)一種方法來解決相位問題,，而不用加入一種重元素到晶體之中,，從而能夠利用處于自然狀態(tài)的蛋白開展研究。他們使用來自蛋白自己的硫原子的非共振散射(off-resonance scattering),，其中硫原子要比硒原子薄弱得多,，但是也足夠強大而能夠發(fā)揮作用。他們利用低于正常的X射線能量而將SAD應用到幾個晶體(對研究的每個蛋白而言,，是5到13個晶體),，然后將相對弱的衍射信號結(jié)合在一起。
他們解析的4種蛋白在大小上存在差異,，而且和它們含有不同的硫含量(每個分子擁有3到28個硫位點),。他們成功地解析出每個蛋白的結(jié)構(gòu)提示著他們的研究為在大分子晶體學取得潛在大量的新發(fā)現(xiàn)打開新的大門。(生物谷Bioon.com)
doi: 10.1126/science.1218753
PMC:
PMID:
Structures from Anomalous Diffraction of Native Biological Macromolecules
Qun Liu1, Tassadite Dahmane2, Zhen Zhang2, Zahra Assur2, Julia Brasch2, Lawrence Shapiro2, Filippo Mancia3, Wayne A. Hendrickson
Crystal structure analyses for biological macromolecules without known structural relatives entail solving the crystallographic phase problem. Typical de novo phase evaluations depend on incorporating heavier atoms than those found natively; most commonly, multi- or single-wavelength anomalous diffraction (MAD or SAD) experiments exploit selenomethionyl proteins. Here, we realize routine structure determination using intrinsic anomalous scattering from native macromolecules. We devised robust procedures for enhancing the signal-to-noise ratio in the slight anomalous scattering from generic native structures by combining data measured from multiple crystals at lower-than-usual x-ray energy. Using this multicrystal SAD method (5 to 13 equivalent crystals), we determined structures at modest resolution (2.8 to 2.3 angstroms) for native proteins varying in size (127 to 1148 unique residues) and number of sulfur sites (3 to 28). With no requirement for heavy-atom incorporation, such experiments provide an attractive alternative to selenomethionyl SAD experiments
