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Fromme在X射线晶体学方面的开拓性工作荣获著名的安芬森奖

X射线晶体学 X射线衍射 串行飞秒晶体学
发布:2021-04-16 15:47:37    

亚利桑那州立大学研究员 佩特拉·弗罗姆(Petra Fromme) 已获得2021年克里斯蒂安·B·安芬森奖。该奖项由致力于支持蛋白质研究的主要国际协会蛋白质协会(Protein Society)授予。

在向Fromme颁发这一享有盛誉的奖项时,蛋白质学会表彰了她为推进蛋白质研究领域所做的开创性工作,他们使用超高速X射线晶体学技术以最小的规模和最短的时间探测物质。
 

佩特拉·弗洛姆(Petra Fromme)是ASU应用结构发现生物设计中心的主任,也是ASU人文科学学院分子科学学院的生物化学摄政教授。

这些研究在两个关键领域具有极大的科学认识,有助于通过探索光合作用的分子复杂性来简化针对更广泛的人类疾病的更安全有效的药物的开发,并进一步研究替代能源。

Fromme是 ASU应用结构发现生物设计中心的主任,也是 ASU 人文科学学院分子科学学院的生物化学摄政教授 。她是开发和应用新技术研究蛋白质结构的全球领导者。

克里斯蒂安·B·安芬森(Christian B. Anfinsen)奖是对“蛋白质研究中的重大技术成就和/或方法学进步”的认可。该奖项成立于1996年,以诺贝尔奖获得者克里斯蒂安·勃默·安芬森(Christian Boehmer Anfinsen)的名字命名,该奖项的重点是酶蛋白的结构和功能。

蛋白质协会在其 公告中指出,弗罗姆(Fromme)在该领域表现出不寻常的领导力,“组建了横跨化学,物理,数据科学,生物学,材料科学和工程领域的庞大合作者网络,以开拓串行飞秒晶体学(SFX)方法,用于收集活动中的分子的快照。她为大型膜蛋白复合物的结构生物学做出了重要贡献,尤其是那些参与光捕获和能量转换的蛋白。”

Anfinsen奖将在蛋白质协会成立35周年座谈会上颁发 ,Fromme将在该座谈会上进行特邀演讲。会议实际上将在7月7日至9日和7月12日至14日举行。在线会议将有50多位发言人参加,其中包括受邀和贡献的演讲,蛋白质协会奖,现场海报展示,关于关键主题(例如多样性和包容性)的主题研讨会以及建立交流机会。

健康与疾病的推动者

蛋白质是所有活细胞的“主力军”,催化细胞中的所有基本功能。它们的结构,功能和动力学的发现对于理解生命的分子基础至关重要。

DNA形式的遗传信息只有四个组成部分,而蛋白质则更为复杂,因为它们的“字母”由20个氨基酸形式的20个字母组成,像项链珠一样串在一起。蛋白质可以折叠成几乎无限的各种三维形状,并彼此相互作用形成大型的超复合物,这些复合物充当了执行基本生命功能的分子机器。因此,蛋白质的功能取决于其氨基酸组成,3D构象,相互作用和复合物的动力学。

蛋白质在体内发挥多种作用,催化生命中所有重要的新陈代谢反应。例子包括通过呼吸和光合作用产生能量,细胞识别,产品进入细胞的进出口,DNA的合成和修复,神经功能,嗅觉,品尝,听觉和视觉等。除了提供所有组织的结构框架外,蛋白质还可以维持适当的pH值和体液平衡,并在人体的免疫系统中发挥重要作用。蛋白质功能出现问题时,可能导致多种严重疾病。

研究人员一直致力于开发可以作用于蛋白质,与蛋白质结合并改变,增强或在某些情况下使其功能失活的药物。为此,需要详细的蛋白质分子结构图。

绘制蛋白质世界

研究蛋白质结构的最强大技术之一是通过X射线晶体学。在这里,感兴趣的样品被结晶,然后被入射的X射线束询问。当这些X射线撞击样品时,光会由于样品中原子的晶体排列而发生衍射,并且衍射的X射线光的图案会捕获在检测器屏幕上。通过用X射线以所有可能的方向询问晶体,可以通过X射线晶体学确定蛋白质结构的详细三维肖像。

该技术为科学带来了极大的好处,可帮助研究人员探索生物分子的内部工作原理,包括药物,维生素,蛋白质和核酸(如DNA)。X射线晶体学仍然是表征新材料的原子结构及其特性以及协助设计和验证新药物的一种必不可少的方法。

过去的一个主要缺点是,X射线与分子相互作用时会破坏分子,从而破坏被检查的分子。可以通过冻结晶体并在非常低的温度下收集数据来减慢X射线损坏的速度。但是,因此只能获得冷冻蛋白质的静态图像。

Fromme和她在ASU的同事团队以及他们的国家和国际合作者,率先开发了一种全新的X射线晶体学,该方法扩展到了该方法在原子尺度上深入观察物质的能力的极限。该方法被称为串行飞秒晶体学(SFX),其工作原理是将纳米晶体暴露于由功能强大的X射线自由电子激光器(或XFEL)发出的明亮X射线脉冲和极短脉冲中。

就像该技术的名称所暗示的那样,光脉冲发生在飞秒级的惊人短时间内。飞秒是四分之一秒。为了让人们知道这有多简短,一飞秒等于一秒,一秒相当于大约3200万年。

新结构揭幕

使用飞秒脉冲的一个优点是,它们可以克服由强大的X射线辐射引起的晶体破坏,从而在结晶样品爆炸之前产生可用的衍射图样。这项技术有时被称为“破坏前的扩散”,它使该领域发生了革命性变化,使研究人员能够在模拟自然的条件下在室温下研究蛋白质的结构和功能,并首次使它们在工作中产生生物分子的分子电影。 。

弗罗姆说:“我很荣幸收到蛋白质协会颁发的著名的安芬森奖。” “我很高兴他们为我对系列飞秒晶体学技术做出的贡献表示敬意,该技术彻底改变了结构生物学领域,因为我们可以第一次'看到'行动中的生命基石。通过研究蛋白质在其近乎自然的环境中的结构动力学和功能而没有受到破坏,我们到达了新的领域,在这里我们可以了解它们在原子尺度上的作用机理。”

XFEL的使用使Fromme和她的同事能够生成许多蛋白质结构的高分辨率3D图像,以及它们反应的第一个分子快照。这些包括非常重要的膜蛋白的结构,这些结构是大多数药物的目标,并且过去很难结晶和表征。

Fromme和她的同事使用这项新技术,产生了BlaC(对抗生素耐药性至关重要的蛋白酶)和Cytochrome c氧化酶 (对呼吸至关重要)功能的第一个分子快照 。他们还为重要的蛋白质揭示 了令人眼花for乱的详细结构,例如 Flpp3(一种引起细菌引起Tularemia的致命作用的致病因子), 血管紧张素II (一种调节血压的受体), DIPP-NH2 (一种参与疼痛途径的阿片配体) )和其他医学上重要的生物分子。Fromme的研究还发现了自然界的一个主要谜团,即植物和光合微生物如何转换人类的辐射能,从而取得了重大进展。 阳光转化为有用的能量。

“这项研究对新药的开发产生了巨大影响,这些新药以活跃的功能状态捕获了药物靶标。通过了解植物如何将光转化为能量,从而允许设计出将自然效率与人造系统的稳定性相结合的新系统,也将导致新能源的开发。” Fromme说。

尽管Fromme计划继续使用大型XFEL仪器(例如SLAC国家加速器实验室的Linac相干光源,韩国的PAL XFEL或德国的石勒苏益格-荷尔斯泰因州的新设计的欧洲XFEL)继续在结构研究方面取得重大进展,但她仍然是她对ASU正在开发的两种全新的X射线加速器的开发感到特别兴奋,这是她发起的一项开发。

一旦完成,紧凑型X射线光源(CXLS)和 紧凑型X射线自由电子激光器 (CXFEL)将使Fromme和她的同事能够在Biodesign Building C进行前沿结构研究,C是围绕CXFEL仪器设计的独特设施。

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