Bemanningsleden aan boord van het internationale ruimtestation ISS beginnen deze week met onderzoek om de manier waarop we kristallen op aarde laten groeien te verbeteren. De informatie die uit de experimenten wordt verkregen, zou het proces voor de ontwikkeling van geneesmiddelen kunnen versnellen, waar mensen over de hele wereld baat bij hebben.

Eiwitten vervullen een belangrijke rol in het menselijk lichaam. Zonder hen, het lichaam niet zou kunnen reguleren, zichzelf herstellen of beschermen. Veel eiwitten zijn te klein om zelfs onder een microscoop te bestuderen, en moeten worden gekristalliseerd om hun 3D-structuren te bepalen. Deze structuren vertellen onderzoekers hoe een enkel eiwit functioneert en zijn betrokkenheid bij de ontwikkeling van ziekten. Eenmaal gemodelleerd, medicijnontwikkelaars kunnen de structuur gebruiken om een ​​specifiek medicijn te ontwikkelen om te interageren met het eiwit, een proces dat op structuur gebaseerd medicijnontwerp wordt genoemd.

Twee onderzoeken, Het effect van macromoleculair transport op microzwaartekrachtproteïnekristallisatie (LMM Biophysics 1) en groeisnelheidsdispersie als een voorspellende indicator voor biologische kristalmonsters waar de kwaliteit kan worden verbeterd met microzwaartekrachtgroei (LMM Biophysics 3), zal de vorming van deze kristallen bestuderen, kijken naar waarom door microzwaartekracht gekweekte kristallen vaak van hogere kwaliteit zijn dan op aarde gekweekte, en welke kristallen baat kunnen hebben bij het kweken in de ruimte.

Groeisnelheid - LMM Biofysica

Onderzoekers weten dat kristallen die in de ruimte worden gekweekt vaak minder onvolkomenheden bevatten dan die op aarde. maar de redenering achter dat fenomeen is niet glashelder. Een algemeen aanvaarde theorie in de kristallografiegemeenschap is dat de kristallen van hogere kwaliteit zijn omdat ze langzamer groeien in microzwaartekracht vanwege een gebrek aan door drijfvermogen geïnduceerde convectie. De enige manier waarop deze eiwitmoleculen in microzwaartekracht bewegen is door willekeurige diffusie, een proces dat veel langzamer gaat dan beweging op aarde.

Een andere minder onderzochte theorie is dat een hoger niveau van zuivering kan worden bereikt in microzwaartekracht. Een zuiver kristal kan duizenden kopieën van een enkel eiwit bevatten. Zodra de kristallen naar de aarde zijn teruggekeerd en worden blootgesteld aan een röntgenstraal, het röntgendiffractiepatroon kan worden gebruikt om de structuur van een eiwit wiskundig in kaart te brengen.

"Als je eiwitten zuivert om kristallen te laten groeien, de eiwitmoleculen hebben de neiging om willekeurig aan elkaar te kleven, " zei Lawrence DeLucas, LMM Biofysica 1 hoofdonderzoeker. "Deze eiwitaggregaten kunnen vervolgens worden opgenomen in de groeiende kristallen en defecten veroorzaken, verstoring van de eiwituitlijning, wat vervolgens de röntgendiffractiekwaliteit van het kristal vermindert."

De theorie stelt dat in microzwaartekracht, een dimeer, of twee aan elkaar geplakte eiwitten, zal veel langzamer bewegen dan een monomeer, of een enkel eiwit, waardoor aggregaten minder kans krijgen om in het kristal op te nemen.

"Je kiest voor overwegend monomeergroei, en het minimaliseren van de hoeveelheid aggregaten die in het kristal worden opgenomen omdat ze zoveel langzamer bewegen, ' zei DeLucas.

Het LMM Biophysics 1 onderzoek zal deze twee theorieën op de proef stellen, om te proberen de reden(en) te begrijpen, zijn door microzwaartekracht gekweekte kristallen vaak van superieure kwaliteit en grootte in vergelijking met hun op aarde gekweekte tegenhangers. Verbeterde röntgendiffractiegegevens resulteren in een preciezere eiwitstructuur en daarmee een beter begrip van de biologische functie van het eiwit en toekomstige ontdekking van geneesmiddelen.

Kristaltypes - LMM Biofysica 3

Terwijl LMM Biophysics 1 onderzoekt waarom kristallen uit de ruimte van hogere kwaliteit zijn dan kristallen uit de aarde, LMM Biophysics 3 gaat na welke kristallen baat kunnen hebben bij kristallisatie in de ruimte. Onderzoek heeft uitgewezen dat slechts enkele eiwitten die in de ruimte zijn gekristalliseerd, profiteren van microzwaartekrachtgroei. De vorm en het oppervlak van het eiwit waaruit een kristal bestaat, bepalen het potentieel voor succes in microzwaartekracht.

"Sommige eiwitten zijn als bouwstenen, " zei Edward Snel, LMM Biophysics 3 primaire onderzoeker. "Het is heel gemakkelijk om ze te stapelen. Dat zijn degenen die niet profiteren van microzwaartekracht. Anderen zijn als jelly beans. Als je probeert een mooie reeks van hen op de grond te bouwen, ze willen wegrollen en niet besteld worden. Dat zijn degenen die profiteren van microzwaartekracht. Wat we proberen te doen is de blokken te onderscheiden van de jelly beans."

Als we begrijpen hoe verschillende eiwitten kristalliseren in microzwaartekracht, krijgen onderzoekers een dieper inzicht in hoe deze eiwitten functioneren. en helpen bepalen welke kristallen voor groei naar het ruimtestation moeten worden getransporteerd.

"We maximaliseren het gebruik van een schaarse hulpbron, en ervoor zorgen dat elk kristal dat we daar neerzetten de wetenschappers ter plaatse ten goede komt, ' zei Snel.

Deze kristallen kunnen worden gebruikt bij de ontwikkeling van geneesmiddelen en bij onderzoek naar ziekten over de hele wereld.