Kijken naar de precieze driedimensionale rangschikking van atomen in een eiwit helpt ons te begrijpen hoe het zijn functies kan uitvoeren. Hoewel elektronencryomicroscopie (cryo-EM) zich de afgelopen jaren snel heeft ontwikkeld als een belangrijke structurele biologietechniek, Röntgenkristallografie was de enige techniek die individuele atomen kon visualiseren. Radu Aricescu's en Sjors Scheres' groepen bij het MRC Laboratory of Molecular Biology, in samenwerking met wetenschappers van Thermo Fisher Scientific en elders, hebben nu voor het eerst individuele eiwitatomen kunnen oplossen in een driedimensionaal cryo-EM-beeld.

Deze samenwerking begon begin 2019 toen Radu en Abhay Kotecha, een onderzoeker bij Thermo Fisher Scientific, wilde nieuwe cryo-EM-hardware testen op een klein membraaneiwitmonster. GABAA-receptoren, een focus van Radu's onderzoek voor meer dan een decennium, werden gekozen omdat de hoogst haalbare resolutie met behulp van de best beschikbare technologie een limiet leek te hebben bereikt van ongeveer 2,5 Ångströms (Å), maar een hogere resolutie was duidelijk nodig voor een beter medicijnontwerp.

Wat is atomaire resolutie?

Resolutie wordt meestal gerapporteerd in Ångströms, een lengte-eenheid die een tien miljardste van een meter of 0,1 nanometer is, en verwijst naar de kleinste afstand waartussen twee objecten als gescheiden kunnen worden gezien.

De lengte van een typische koolstof-koolstofbinding is 1,5; andere bindingen in eiwitten zijn iets korter. Dus, naarmate de resolutie daalt tot 1,2 Å, wordt het mogelijk om individuele atomen in een eiwit te zien, het bereiken van echte atomaire resolutie.

Tijdens het testen van nieuwe hardwareontwikkelingen, waaronder een koudeveldemissiekanon-elektronenbron, een nieuw energiefilter, en een nieuwe camera, het team moest ook nieuwe verwerkingsstrategieën ontwikkelen. Algoritmen voor de correctie van optische aberraties die eerder werden ontwikkeld door Jasenko Zivanov in de groep van Sjors, evenals een algoritme voorgesteld door Chris Russo en Richard Henderson, speelde een cruciale rol bij het persen van de meeste informatie uit de afbeeldingen.

Na ontvangst van beelden verzameld op de nieuwe microscoophardware door Abhay Kotecha bij Thermo Fisher Scientific in Eindhoven, Nederland, Takanori Nakane, een postdoc in de groep van Sjors, een optimale workflow ontwikkeld in RELION en Andrija Sente, samen met andere leden van Radu's groep, deze workflow gebruikt om GABAA-receptorbeelden te verwerken, terwijl u resultaten terugkoppelt om de microscoopinstellingen snel te optimaliseren. een nieuwe, Een dataopslagsysteem met hoge capaciteit, ontwikkeld door Jake Grimmett en Toby Darling in het Scientific Computing-team van de LMB, bood cruciale ondersteuning bij het verwerken van de ongeveer honderd terabytes aan gegenereerde gegevens. Deze aanhoudende teaminspanning leidde tot een ongekende GABAA-receptorstructuur met een resolutie van 1,7 A.

Dit was de best gerapporteerde resolutie die werd bereikt met behulp van cryo-EM voor elk ander eiwitmonster dan voor het eiwit apoferritine. Apoferritine wordt vaak gebruikt als maatstaf voor cryo-EM, omdat de moleculaire stabiliteit en 24-voudige symmetrie reconstructies met hoge resolutie van relatief weinig deeltjes mogelijk maken.

Met behulp van de nieuwe hardware en verwerkingsstrategieën, het team was in staat om een ​​apoferritine-structuur met een resolutie van 1,22 Å te verkrijgen, het vorige record van 1,53 verslaan om de cryo-EM-structuur met de hoogste resolutie te zijn die tot nu toe is verkregen. Het meest indrukwekkend, deze resolutie maakte visualisatie van individuele waterstofatomen mogelijk, zelfs op watermoleculen in de eiwitstructuur. De visualisatie van waterstofbindingsnetwerken in eiwitstructuren en in medicijnbindende zakken stelt onderzoekers in staat beter te begrijpen hoe ze werken.

Dit werk vertegenwoordigt het doorbreken van een belangrijke barrière voor cryo-EM als een structurele biologietechniek en de nieuwe technologie, gegevensverzameling, en verwerkingsstrategieën zullen het aantal eiwitten waarvan de structuren kunnen worden opgelost, uitbreiden tot een hoge resolutie. Deze reconstructies met een hogere resolutie zullen een beter begrip mogelijk maken van hoe eiwitten werken en het ontwerp van meer specifieke medicijnen vergemakkelijken die van invloed kunnen zijn op behandelingen voor een groot aantal ziekten.