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Les chercheurs publient la révision sur la cristallographie séquentielle de femtoseconde

Les chercheurs de l'institut de Moscou de la physique et de la technologie ont publié une révision sur la cristallographie séquentielle de femtoseconde, une des méthodes les plus prometteuses pour analyser la structure tertiaire des protéines. Cette technique a rapidement évolué au cours de la dernière décennie, ouvrant des espérances neuves pour le modèle rationnel des médicaments visant des protéines précédemment inaccessibles à l'analyse de la structure. L'article a sorti dans l'avis d'expert de tourillon sur la découverte de médicaments.

Cristallographie de rayon X

La cristallographie de rayon X est l'une des méthodes principales pour indiquer la structure 3D des macromolécules biologiques, telles que des protéines. Elle a aidé à déterminer la structure de nombreux enzymes et récepteurs pharmacologiquement importants, activant le modèle des médicaments visant ces protéines.

La méthode concerne cristalliser une protéine et l'étudier par l'intermédiaire de la diffraction des rayons X. La protéine est isolée et d'abord épurée. Alors le solvant se dessèche graduellement. Comme résultat, les molécules dont la structure est les cristaux vérifiés de forme, caractérisées par une commande interne. En exposant un cristal aux rayons X dans un engin spécial, les chercheurs obtiennent un diagramme diffraction. Il contient l'information sur les positions des atomes dans le cristal. Une analyse proche de la configuration indique la structure 3D des molécules de protéine constitutives.

Avant l'avènement de cette méthode, des médicaments neufs ont été en grande partie recherchés empiriquement : en changeant la structure des molécules connues pour affecter la protéine cible, ou en triant par des choix de molécules dans les bibliothèques chimiques. Maintenant que les structures 3D de beaucoup de protéines cibles sont procurables, les chercheurs peuvent les voir sur un écran d'ordinateur et rapidement les trier par des millions de composés recherchant des candidats de médicament. Que la voie ils épargnent beaucoup d'heure et d'argent précédemment dépensés en synthèse chimique et « mouillent » les expériences.

La cristallographie de rayon X produit de bons résultats pour les cristaux qui sont grands, stables, et homogènes - c.-à-d., sans des impuretés ou des anomalies de structure. Pour trouver mieux un faible signe de diffraction, un pouls puissant de radiothérapie est nécessaire, mais pas aussi puissant pour détruisez le cristal. En cristallographie conventionnelle de rayon X, un cristal de protéine est tourné dans le faisceau de rayons X jusqu'aux diagrammes diffraction de produit pour différentes orientations dans l'espace. Ceci saisit l'information maximum sur la structure.

Méthode pour les objectifs délicats

Peu après que la cristallographie de rayon X ait apparu, il est apparu clairement que pas toutes les macromolécules biologiques peuvent être cristallisées. Quelques protéines sont normalement dissoutes dans le support intérieur de cellules. Ainsi il est assez facile de les mettre dans la solution, de se vaporiser les, et d'obtenir un grand cristal régulier. Mais protéines de membrane, beaucoup de récepteurs parmi eux, cristaux de forme qui ne sont pas grands et assez purs pour la cristallographie normale de rayon X. Que dits, plusieurs de ces protéines sont impliquées dans le développement de la maladie, signifiant leur structure est d'intérêt grand aux pharmacologues.

Moins qu'il y a une décennie, une solution a été trouvé pour des protéines de membrane. Cette technique neuve, cristallographie séquentielle appelée de rayon X de femtoseconde, ou SFX, se fonde sur les lasers de libre-électron de rayon X, peu avant SFX développé.

Alexey Mishin, co-auteur d'étude et directeur adjoint du laboratoire pour la biologie structurelle des récepteurs à MIPT :

Ce qui l'effectue une technologie d'avant-garde est une densité d'énergie très haute du pouls de laser. L'objectif est exposé à une telle radiothérapie puissante qu'il tombe à part, inévitablement et presque immédiatement. Mais avant qu'il fasse, quelques différentes tranches de temps de la dispersion de pouls de laser hors de l'échantillon et finir au détecteur. C'est le soi-disant principe de diffraction-avant-destruction pour étudier la structure de la protéine originelle. »

Biologie extérieure utile prouvée de lasers de libre-électron de rayon X : Au cours des dernières années, SFX a été employé de plus en plus souvent par des physiciens et des pharmaciens, aussi. Le premier appareil est devenu procurable aux expérimentateurs en 2009, et maintenant il y a cinq centres ouverts de chercheurs aux États-Unis, le Japon, la Corée du Sud, l'Allemagne, et la Suisse. Un neuf est établi en Chine, et l'installation des États-Unis -- historiquement le premier -- a annoncé des régimes pour la modernisation.

Tandis que la technologie neuve a offert à des chercheurs un aperçu dans la structure des protéines éludant précédemment l'analyse, elle a également introduit les solutions techniques et mathématiques nouvelles. La cristallographie conventionnelle de rayon X concerne exposer un cristal à la radiothérapie des cornières variées et analyser les diagrammes diffraction donnants droit collectivement. Dans SFX, le cristal est immédiatement détruit par la première interaction avec un pouls puissant de rayon X. Ainsi les chercheurs doivent répéter le procédé avec beaucoup de petits cristaux et analyser les caractéristiques « séquentielles » produites ainsi, par conséquent le nom de la méthode.

Un autre défi sélecte les échantillons pour SFX. En cristallographie conventionnelle de rayon X, simplement le choix du plus grand et le plus de haute qualité cristal était la voie d'aller. Ceci a pu être fait manuellement, en observant les échantillons procurables. La procédure neuve exige fonctionner avec une suspension de beaucoup de petits cristaux de taille et de qualité variables. Des centrifugeuses et les filtres avec des cotes connues de pore sont employés pour séparer les cristaux par taille.

Des voies pour mettre des échantillons dans la chambre ont dû être élaborées, aussi. Les lasers de libre-électron de rayon X ont une certaine fréquence maximum à laquelle ils peuvent émettre des pouls de radiothérapie. Pour réduire les frais et la consommation de temps, des cristaux neufs devraient être introduits dans la chambre à la même fréquence. Jusqu'ici deux approches ont été développées pour faire ceci. Sous le premier, les cristaux entrent dans la chambre dans une suspension liquide, fournie par un injecteur. L'avion à réaction partant de l'injecteur « est serré » par un flot du gaz pour assurer l'emplacement correct d'échantillon. C'est-à-dire, en réussissant, un cristal finit avec précision au centre du faisceau laser. Alternativement, les cristaux de protéine peuvent être répartis un substrat transparent aux rayons X et être automatiquement introduits dans le faisceau laser avant chaque pouls.

Depuis produire ses premiers résultats en 2011, SFX a indiqué plus de 200 structures des protéines. Parmi elles sont 51 objectifs potentiellement importants pour la pharmacologie -- récepteurs de membrane, ferments, protéines virales, etc. -- cela était inaccessible aux techniques analytiques conventionnelles.

L'examen systématique de la technologie pour la biologie et de la pharmacologie par l'équipe de MIPT aidera sans doute d'autres chercheurs recherchant à obtenir les structures des objectifs principaux de médicament pour développer les médicaments neufs.

Source:
Journal reference:

Mishin, A. et al. (2019) An outlook on using serial femtosecond crystallography in drug discovery. Expert Opinion on Drug Discovery. doi.org/10.1080/17460441.2019.1626822