Op een zwoele avond begin juni, Space X lanceerde de Falcon 9-raket, die het Dragon-ruimtevaartuig naar het International Space Station (ISS) bracht. Toen de draak de koorden van de zwaartekracht van de aarde drie kleine verbrak, zwarte dozen waren veilig genesteld in het laadruim. Deze onschadelijke dozen bevatten een experiment dat onderzoekers kan helpen bij het ontwikkelen van nieuwe antidota voor zenuwgassen die in conflictgebieden worden gebruikt.

Elke doos bevat 30 kamers waar kristallen van het eiwit, acetylcholinesterase (AChE), zal groeien. Het eiwit speelt een cruciale rol in de normale communicatie tussen zenuwcellen en zenuw- en spiercellen in het menselijk lichaam. Wanneer AChE niet kan functioneren, de resultaten zijn dodelijk.

AChE wordt geremd door een groep chemicaliën die vaak wordt aangetroffen in pesticiden en zenuwgassen, organofosfaten genoemd. Blootstelling resulteert in trillingen, ademhalingsverlamming en, zonder tegengif, dood. Wereldwijd, deze chemicaliën zijn verantwoordelijk voor 200, 000 doden per jaar.

Antidota werken door het AChE-eiwit te reactiveren en overtollig toxine uit het lichaam te vegen. Het meest gebruikte door de FDA goedgekeurde tegengif - Pralidoxime (2-PAM) - maakt het organofosfaatmolecuul los van het AChE-eiwit, die kan terugkeren naar de normale functies. De weinige antidota die voor de mens beschikbaar zijn, zijn onvoldoende effectief en traag.

"We moeten antidota ontwikkelen die effectief zijn tegen meerdere soorten organofosfaten en die de bloed-hersenbarrière kunnen passeren om gemakkelijker meerdere AChE-eiwitten te reactiveren, " zei don Blumenthal, universitair hoofddocent farmacologie en toxicologie aan de University of Utah Health. "Dit is vooral belangrijk voor een scenario met massaslachtoffers."

Blumenthal was de katalysator die een team van experts uit het hele land samenbracht onder leiding van de hoofdonderzoeker van het project, Zoran Radić, universitair hoofddocent aan de Skaggs School of Pharmacy and Pharmaceutical Sciences aan de Universiteit van Californië, San Diego (UCSD), in de zoektocht naar tegengif voor deze verschrikkelijke gifstoffen.

Bij aankomst bij het ISS, astronaut Jack Fisher vond de dozen terug en, met een draai aan een paar hendels, blootgestelde capsules die de eiwitoplossing bevatten tot een cocktail van verschillende zouten en buffers in elke kamer. In de komende vier maanden zal de cocktail zal de eiwitoplossing uitdrogen, waardoor het AChE-eiwit kan kristalliseren en groeien in de microzwaartekracht van het ruimtestation.

Navigeren door de Catalytic Gorge

Wetenschappers begonnen enkele decennia geleden de structuur van het AChE-eiwit in kaart te brengen met behulp van röntgenkristallografie. Blumenthal, die zijn carrière heeft besteed aan het gebruik van deze techniek, beschrijft deze structuren als louter snapshots van de structuur van het eiwit, gevangen bij een koude temperatuur, 100 Kelvin (-280 °F). Ze onthulden een complexe eiwitstructuur met een duidelijke, diepe kloof, genaamd de katalytische kloof, in het midden.

"De katalytische kloof is als een slotcanyon, "zei Blumenthal. "Het raadsel was hoe je het organofosfaat en het tegengifmolecuul in deze beperkte ruimte krijgt."

In bevroren toestand, de kloof kan geen van beide grote moleculen huisvesten, veel minder beide tegelijk, wat de pogingen van onderzoekers om nieuwe antidota te ontwikkelen heeft gedwarsboomd.

Diep in de kloof ligt de actieve enzymplaats, waar de neurotransmitter, acetylcholine, wordt afgebroken en tegengif werkt.

"De actieve enzymplaats is geëvolueerd om snel neurotransmitters op te vangen, " zei Radić. "Tot 10, 000 neurotransmitters kunnen elke seconde de enzymplaats in en uit gaan."

Organofosfaten binden aan de actieve enzymplaats en blokkeren de afbraak van de neurotransmitter.

"De enige verklaring voor hoe organofosfaten en antidota door de kloof navigeren, is dat het eiwit ademt, ' zei Blumenthal.

Hoewel het eiwit niet echt in- en uitademt, de onderzoekers geloven dat de structuur dynamisch is en van vorm verandert om plaats te bieden aan grote moleculen. Met behulp van röntgenstralen, Blumenthal en zijn collega's identificeerden de locatie van zware atomen in de eiwitstructuur, maar de magie achter de beweging van het eiwit lag in het in kaart brengen van de exacte locatie van de lichtere waterstofatomen, die de helft van de atomen in het eiwit uitmaken.

"Typisch, we hebben alleen onze verbeeldingskracht om in kaart te brengen waar de waterstofatomen zich in de kristalstructuur bevinden op basis van onze chemische intuïtie en kennis, " zei Andrey Kovalevsky, R&D-stafwetenschapper in de afdeling Biologie en Zachte Materie van het Oak Ridge National Laboratory (ORNL). "Dit geeft ons niet altijd het juiste antwoord."

Hoewel neutronenkristallografie duurder is, en minder beschikbaar dan röntgenkristallografie, Kovalevsky staat voortdurend versteld van de onverwachte resultaten. Bij het raken van het kristal, de neutronenbundel verspreidt zich, een diffractiepatroon produceren dat de plaatsing van elk atoom beschrijft, zelfs de waterstofatomen, in de structuur.

"De structuren die door neutronendiffractie worden onthuld, kunnen ons begrip van de chemie achter biologische processen volledig herschrijven, van hoe enzymen werken tot de manier waarop medicijnen aan een doelwit binden, ' zei Kovalevsky.

Obstakels op aarde omzeilen

Maar Kovalevsky werd gedwarsboomd. Ondanks dat we jaren bezig zijn geweest met het ontwikkelen van optimale groeiomstandigheden aan het aardoppervlak, geen enkele cocktail liet deze eiwitkristallen groeien die groot genoeg waren om de neutronenbundel te buigen.

"Kristalgroei is een kunst, " zei Kovalevsky. "Elke kristallograaf worstelt met dit proces om kristallen te produceren die groot genoeg zijn en toch van goede kwaliteit."

Toen kreeg hij het gekke idee. Stuur de kristallen naar de ruimte.

Zijn collega's waren het daarmee eens.

"Toen ik in Oak Ridge aankwam, Ik leerde over andere wetenschappers die dit pad probeerden en betere kristallen kweekten in de ruimte, "zei Kovalevsky. Toen, hij lachte, "Opgroeien in de Oekraïne, Ik had nooit gedacht dat ik een experiment de ruimte in zou sturen."

Hoewel kristallen in de ruimte misschien maar iets groter worden dan hun tegenhangers op aarde, ze zullen langer worden langs elke dimensie van zijn driedimensionale structuur. Als resultaat, het volume zal enorm toenemen.

In aanvulling, ze vormen op een meer georganiseerde manier. Een kristal is samengesteld uit kleinere eenheden, die als bouwstenen in een uniform patroon samenkomen. In de ruimte, die blokken worden samengebracht in een meer regelmatig patroon om een ​​beter kristal te vormen.

"Een groter volume en een meer georganiseerd kristal, " zei Kovalevsky. "Het hangt allemaal samen om een ​​beter diffractiepatroon te produceren."

Maar Kovalevsky moest klauteren. Hij had minder dan een jaar nadat zijn collega's een plaats op een toekomstige ruimtevlucht hadden veiliggesteld om het systeem opnieuw te optimaliseren om deze eiwitkristallen binnen de grenzen van een ruimtevaartuig te laten groeien.

De kristallen die in vier korte maanden naar de aarde zullen terugkeren, zullen een samengesteld kristal zijn, bestaande uit het AChE-eiwit plus een van de drie experimentele antidota - twee gemaakt bij UCSD en een veel getest organofosfaat-tegengif, MMB4. Kovalevsky zal deze kristallen bij ORNL aan een neutronenbundel onderwerpen.

Na het vastspijkeren van de eiwitstructuur, ze zullen deze informatie gebruiken in computersimulaties om nieuwe moleculen te ontwerpen die toegang hebben tot de activeringsplaats aan de voet van de kloof. Ze zullen kandidaat-antidota synthetiseren en hun effectiviteit vergelijken met de huidige door de FDA goedgekeurde behandeling, 2-PAM.

De onderzoekers moeten nu het wachtspel spelen totdat de kristallen terug naar de aarde worden gebracht. Ze verwachten dat het terugkerende ruimtevaartuig in oktober in de Stille Oceaan zal neerspatten. De 90 kristallen in de kleine, zwarte dozen zullen honderden kilometers van de aarde naar het ISS en weer naar huis hebben gereisd.

"Hoe sneller we de kristalinformatie kunnen krijgen, hoe sneller we kunnen beginnen met het identificeren en creëren van nieuwe tegengiffen, ' zei Blumenthal.