2012年9月8日 讯 /生物谷BIOON/ --利用同步加速器X射线光束(synchrotron x-ray beam)来解析蛋白和其他生物大分子的结构在医学上取得很大进步。科学家们获得的技术进步能够导致他们取得更加激动人心的进步。最近，来自美国国家同步幅射光源(National Synchrotron Light Source, NSLS)和、纽约结构生物学中心和哥伦比亚大学的研究人员发现一种新方法来确定通过其他方法很难或者不可能解析的分子结构。他们的研究发表在《科学》期刊上。
利用大分子X射线晶体学确定蛋白结构的过程必须要首先培养纯的分子晶体。当靶分子拥有相似的结构类似物时，这种过程更加容易。但是当靶分子没有结构类似物时，科学家们面临着“相位问题”，即缺乏描述入射X射线光波“相位”的关键性信息。当一个检测器记录X射线衍射图时，它能够检测强度，但是不能检测相位，但是没有相位时，分子结构就不能被完全解析出。
当存在不相关的结构时，有两种其他的方法来评估相位。这些方法当中有两种方法都是属关于X射线晶体技术的：多波长异常衍射(multiwavelength anomalous diffraction, MAD)，它利用多种波长的X射线；单波长异常衍射(single-wavelength anomalous diffraction, SAD)，它只利用一个波长的X射线。这两种技术通常都涉及加入硒到晶格(通过氨基酸衍生物硒代蛋氨酸，它容易整合进蛋白)之中，和扫描硒原子整个边上的X射线光束。
硒是一种比在蛋白中通常发现的那些原子---比如碳、氮和氧---都要重，它吸收X射线，而且通过元素特异性共振再次发射X射线。根据这种共振衍射数据，科学家们能够确定相位。
在这项新研究中，研究人员开发一种方法来解决相位问题，而不用加入一种重元素到晶体之中，从而能够利用处于自然状态的蛋白开展研究。他们使用来自蛋白自己的硫原子的非共振散射(off-resonance scattering)，其中硫原子要比硒原子薄弱得多，但是也足够强大而能够发挥作用。他们利用低于正常的X射线能量而将SAD应用到几个晶体(对研究的每个蛋白而言，是5到13个晶体)，然后将相对弱的衍射信号结合在一起。
他们解析的4种蛋白在大小上存在差异，而且和它们含有不同的硫含量(每个分子拥有3到28个硫位点)。他们成功地解析出每个蛋白的结构提示着他们的研究为在大分子晶体学取得潜在大量的新发现打开新的大门。(生物谷Bioon.com)
doi: 10.1126/science.1218753
PMC:
PMID:
Structures from Anomalous Diffraction of Native Biological Macromolecules
Qun Liu1, Tassadite Dahmane2, Zhen Zhang2, Zahra Assur2, Julia Brasch2, Lawrence Shapiro2, Filippo Mancia3, Wayne A. Hendrickson
Crystal structure analyses for biological macromolecules without known structural relatives entail solving the crystallographic phase problem. Typical de novo phase evaluations depend on incorporating heavier atoms than those found natively; most commonly, multi- or single-wavelength anomalous diffraction (MAD or SAD) experiments exploit selenomethionyl proteins. Here, we realize routine structure determination using intrinsic anomalous scattering from native macromolecules. We devised robust procedures for enhancing the signal-to-noise ratio in the slight anomalous scattering from generic native structures by combining data measured from multiple crystals at lower-than-usual x-ray energy. Using this multicrystal SAD method (5 to 13 equivalent crystals), we determined structures at modest resolution (2.8 to 2.3 angstroms) for native proteins varying in size (127 to 1148 unique residues) and number of sulfur sites (3 to 28). With no requirement for heavy-atom incorporation, such experiments provide an attractive alternative to selenomethionyl SAD experiments
