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研究人员研究速冻蛋白质的结构变化

2021-04-29 14:15:50 健康养生 来源:

经过精确定义的一段时间后,波恩大学和凯撒研究中心的研究人员成功地将蛋白质快速冷冻。他们能够在微秒级的时间范围内以亚纳米精度跟踪结构变化。由于其高的时空分辨率,该方法可以跟踪酶和核酸的快速结构变化。结果发表在《化学学会杂志》上。

如果您想知道生物分子的空间结构是什么样的,可以使用大量的工具。最受欢迎的是电子显微镜和X射线衍射,甚至可以揭示蛋白质的最小细节。但是,这些方法的显着局限性在于它们通常只能提供静态图像,而这些图像通常不足以以精确的机械术语理解生物分子过程。因此,世界范围内许多研究小组的长期目标是,随着时间的推移,跟踪大分子(例如蛋白质)在其工作过程中的运动,就像在电影中一样。由波恩大学物理与理论化学研究所的Olav Schiemann教授和Dr.

他们选择了一个离子通道进行研究。这是一种蛋白质,可在细胞膜上形成微细的孔,这些孔可渗透称为离子的带电粒子。“该通道通常是关闭的,” Schiemann解释说。“只有在称为cAMP的蜂窝信使绑定到它时,它才会打开。我们想知道这个过程到底是如何工作的。”

迷你磁铁可测量距离

为此,研究人员首先将通道蛋白和cAMP混合,然后迅速冻结溶液。在冷冻状态下,现在可以分析蛋白质结构。为了使方法起作用,他们将分子电磁体附着在通道中的两个点上。使用称为PELDOR的复杂方法,可以像分子标尺一样,以几埃(十分之一毫米)的精度确定这些磁体之间的距离。近年来,该方法在Schiemann研究小组中得到了显着改进和改进。

Schiemann说:“但是,这只能为我们提供cAMP与离子通道结合的静态图像。” “因此,我们将两个分子混合后,在不同的时间重复了冷冻过程。这使得cAMP结合后可以重建蛋白质中的运动,就像电影一样,它也由一系列图像组成。”

该过程的中心是一种复杂的方法,该方法可以在精确的时间点非常快速地混合和冷冻样品。这项技术最初称为“微秒冻结超淬火”(缩写为MHQ),最初是在代尔夫特大学开发的,但后来被废弃了。Kaupp的小组重新发现了它,并对其进行了决定性的完善。

Kaupp解释说:“在MHQ装置中,cAMP分子和离子通道以超快的速度混合。” “然后将混合物以细流的形式喷射到-190°C的非常冷的金属圆柱体上,该圆柱体每分钟旋转7,000次。将用于PELDOR测量的冷冻样品从金属板转移到薄板中尤其具有挑战性玻璃管,并同时使其保持冷冻状态。我们必须为此设计和制造专用工具。”

每秒冻结8百万分之一秒的深度冻结

整个混合和冷冻过程仅需82微秒(一微秒等于一秒的百万分之一)。“这使我们能够可视化蛋白质空间结构中非常迅速的变化,”为成功做出巨大贡献的两位博士生之一托比亚斯·赫特(Tobias Hett)解释说。该方法的优点是其高空间和时间分辨率的结合。Kaupp强调:“这是研究生物分子动态过程的重要一步。”

研究人员现在计划使用他们的方法来仔细研究其他生物分子。他们希望获得新的见解,例如对酶和核酸的功能的了解。最近关于SARS2的结构研究在全球范围内的大量涌现,充分说明了这种见解的重要性:当感染人类细胞时,病毒的所谓的刺突蛋白也会发生结构变化。阐明这种机制将为如何针对新药的感染机制提供有价值的信息。

样品的准备,实验执行和数据分析非常复杂。因此,研究结果也反映了与位于哥廷根马克斯·普朗克生物物理化学研究所的赫尔穆特·格鲁伯米勒教授和奥斯纳布吕克大学的海因茨-于尔根·斯坦霍夫教授领导的研究人员之间成功的科学合作。


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