ContaMiner is een webgebaseerd, open-sourceprogramma ontwikkeld door een uniek interdisciplinair team aan de King Abdullah University of Science and Technology (KAUST), Saoedi-Arabië. Dit programma levert nu al tijdwinst op voor internationale onderzoekers.

"Hoeveel kun je een auto begrijpen en repareren als je geen gedetailleerd beeld hebt van wat er onder de motorkap gebeurt?" zei KAUST universitair hoofddocent Stefan Arold. "Eiwitten zijn de werkpaarden van het leven:hun functie en disfunctie creëren leven en beëindigen het. De aminozuursequentie van elk eiwit vouwt zich in een bepaalde 3D-structuur die nodig is om zijn functie te ondersteunen. Als je het wilt begrijpen, de functie van een eiwit beïnvloeden of bewerken, je moet de 3D-structuur kennen, " hij legde uit.

Het proces om die structuur te bepalen begint met het zuiveren en kristalliseren van het onderzochte eiwit. Het eiwitkristal wordt vervolgens gebombardeerd door extreem krachtige röntgenstralen, die in verschillende richtingen buigen, geeft een indicatie van de structuur ervan. Onderzoekers passen vervolgens "moleculaire vervanging, " die het doeleiwitkristal vergelijkt met de 3D-structuur van andere bekende vergelijkbare eiwitten.

Maar voor de onderzoekers om hun eiwit te vergelijken met soortgelijke, eerst moeten ze weten hoe de aminozuren zijn gerangschikt. ContaMiner kan onderzoekers helpen bepalen of ze om te beginnen zelfs naar het juiste eiwit kijken.

"Het eiwit dat we hebben gekristalliseerd, is misschien niet het eiwit dat we dachten dat het was, maar in plaats daarvan een onbekende verontreiniging, " legde Arold uit. Op eiwitten gebaseerde verontreinigingen kunnen, vaker dan gedacht, kristalliseren in plaats van, of naast, het onderzochte eiwit. Deze kunnen afkomstig zijn van het organisme dat het eiwit oorspronkelijk heeft geproduceerd of optreden tijdens het zuivering- of kristallisatieproces.

"Wetenschappers verspillen vaak maanden aan werk voordat ze de fout en de identiteit van de eiwitverontreiniging identificeren die ze onbedoeld hadden uitgekristalliseerd, ' zei Arold.

Arolds team heeft onvermoeibaar gewerkt om een ​​voorlopige database samen te stellen, genaamd ContaBase, van 62 bekende verontreinigingen. "Contaminanten waren een bekend maar ondergewaardeerd probleem omdat veel gevallen onopgemerkt bleven, " zei Arold. Zelfs in gevallen waarin verontreinigingen uiteindelijk worden geïdentificeerd, deze informatie wordt vaak niet gepubliceerd omdat het experiment als een mislukking werd beschouwd. Vaak rapporteren onderzoekers problemen met besmetting in online forums in plaats van peer-reviewed publicaties. "Daarom, niemand had een goed idee hoeveel en welke verontreinigingen er zouden kunnen voorkomen en kristalliseren, " hij ging verder.

ContaMiner brengt hier verandering in. Nutsvoorzieningen, onderzoekers kunnen hun röntgendiffractiegegevens indienen bij het programma, die het vergelijkt met een updatebare database van bekende verontreinigingen. "Als er een verontreiniging aanwezig is, ContaMiner kan het doorgaans in slechts 5-15 minuten detecteren, ' zei Arold.

Enkele honderden onderzoekers hebben het programma gebruikt sinds het eind 2016 voor het eerst werd beschreven in de Journal of Applied Crystallography. Velen uit de kristallografiegemeenschap hebben bijgedragen aan het updaten van ContaBase, zodat het nu 71 verontreinigingen bevat. "Het is een voortdurende inspanning van de gemeenschap, " zei Arold. ContaMiner is ook geselecteerd om te worden opgenomen in een online server, genaamd CCP4, dat is een zeer selectieve verzameling software met betrekking tot structurele biologie en is wereldwijd de meest gebruikte hulpbron, legde Arold uit.

Hoewel het internationale impact heeft, Arold en zijn team spelen ook een cruciale rol in de lokale wetenschappelijke gemeenschap door hun unieke vaardigheden. Het KAUST-team combineert expertise in moleculaire biologie, biochemie, biofysica, bioinformatica en berekening om eiwitstructuren en -functie te onderzoeken. Het is de enige groep die betrokken is bij structurele biologie in het koninkrijk en, onder begeleiding van structuurbioloog Stefan Arold, het zet ook belangrijke lokale samenwerkingen op.

Momenteel werken ze samen met onderzoekers van het King Fahd Specialist Hospital and Research Center om genmutaties te identificeren die ziekten veroorzaken bij de Saoedische bevolking. Arold gebruikt zijn expertise, samen met computationele modellering, om te begrijpen waarom specifieke mutaties eiwitstoringen veroorzaken. "Het is intrigerend hoeveel schade kan worden veroorzaakt door een enkele mutatie", zei hij. "Het geeft ons ook een glimp van de onvoorstelbare verfijning en complexiteit van ons lichaam.

Arold en zijn team hebben onlangs ook samengewerkt met KAUST-plantwetenschapper Mark Tester en een divers internationaal team om de moleculaire basis voor de productie van giftige verbindingen te begrijpen, genaamd saponinen, in sommige, maar niet alle quinoasoorten.

"Heeft de regio meer structurele biologen nodig?" vroeg Arold. "Naar mijn bevooroordeelde mening, natuurlijk. Vooral, experts in kernmagnetische resonantiespectroscopie, die zeer complementair is aan röntgenkristallografie." Hij pleit er ook voor dat biologen zich meer bewust worden van het belang van structurele biologie voor hun onderzoek.

"Verstandig, KAUST heeft zwaar geïnvesteerd in structurele biologie; en biologische beeldvorming in het algemeen is duidelijk een prioriteitsgebied. We hebben uitstekende middelen, zoals 700 en 950 megahertz nucleaire magnetische resonantie imaging spectrometers en de TITAN KRIOS elektronenmicroscoop.

En hoewel ik momenteel de enige structurele bioloog ben, Ik ben misschien niet lang meer alleen, " zei Arold. Er zijn al onderhandelingen gaande om meer talent naar de instelling te halen.