Ny inställning gör det möjligt för EPR studier på små proteinkristaller

0
4

Källa: © Jason W Sidabras et al/AAAS

Den förbättrade EPR kunde avslöja ny information om [FeFe]-hydrogenase – ett enzym som är av intresse i energiforskning tack vare dess förmåga att producera vätgas

En elektron paramagnetiska resonans (EPR) metod som fungerar med nanolitre volym kristaller kunde reda på ny information om enzymer utan behov för stora och svåra att odla kristaller. Tekniken, som bygger på en särskild resonator geometri kan användas för att utföra EPR experiment på mycket små proteinkristaller som de som vanligen används för röntgenkristallografi. Det nya systemet möjliggör detaljerade studier på långt mer proteiner än vad som tidigare varit möjligt.

Många viktiga biokemiska processer kan undersökas med hjälp av EPR. Tekniken är särskilt användbar för att studera enzym reaktioner, eftersom det kan ge värdefull information om den elektroniska strukturen för den aktiva webbplatsen. I en typisk EPR-experimentet, en frusen lösning av biomolecule är placerad i en mikrovågsugn hålighet – en typ av resonator – men mängden information som erhålls på detta sätt är begränsad. Även om single-crystal EPR experiment skulle kunna ge mer data, denna metod används sällan till protein system på grund av utmaningar i växande lämplig kristaller. Många prover som används i röntgenkristallografi har mått i 0.05–0.3 mm intervall, men kristaller av denna storlek är för liten för att kunna studeras med hjälp av kommersiella EPR-spektrometrar.

Forskare i Tyskland har nu hittat ett sätt att öka känsligheten för EPR experiment med en faktor på upp till 28 genom att ersätta mikrovågsugn hålighet av konventionella installationer med en själv-resonant microhelix, som består av ett litet tätt sår våren gjort av silver tråd. “Man kan se det som en lins för magnetisk flux som är utformad för att maximera fylla faktor för mycket små prover, säger Jason Sidabras vid Max Planck-Institutet för Kemisk Omvandling av Energi. I en EPR-experimentet, prov interagerar med magnetisk flux, och detta ger upphov till signalen mäts med instrumentet. “Om urvalet är för litet, vi behöver ett sätt att fokusera magnetiska flödet på det. Den microhelix gör detta mycket väl, ” Sidabras säger. “På grund av sin storlek och form, det har en viss elektromagnetisk resonans frekvens. Det kallas “self-resonant” eftersom resonansfrekvens kommer direkt från geometrin.’

Teamet testade den nya metoden på små kristaller av [FeFe]-hydrogenase – ett enzym som är av intresse för energi, forskning, eftersom det katalyserar produktionen av vätgas från protoner och elektroner. “En viktig egenskap hos detta system är den så kallade g-tensor,’ Sidabras säger. “För första gången, vi har mätt denna mängd i [FeFe]-hydrogenase. Detta krävs för de experiment som ska utföras med enkristaller av enzymet. Tidigare studier som används mycket stora kristaller – 1 mm eller större och lång mätning gånger. Med den nya installationen, experiment som skulle ta veckor kan nu utföras i dagar.”

“Detta är en riktigt trevlig tekniska förbättringar, säger Stefan Stoll av University of Washington i USA, som inte var inblandad i studien. ‘Kristaller av proteiner är alltid mycket små, och fram till nu EPR var inte tillräckligt känsliga för att få signaler från dessa kristaller. Nu är detta möjligt!’

Dimitri Svistunenko vid Universitetet i Essex, STORBRITANNIEN, håller med. “Såsom ett förskott i metoden är mycket lovande ut eftersom det gör det möjligt avseende EPR-data till x-kristallografi data som erhållits på samma parti microcrystals. Detta hjälper till att förstå hur enzymer fungerar när man tittar på dem från olika perspektiv, ” säger han.

Referenser

J W Sidabras et al., Sci. Adv., 2019, 5, eaay1394 (DOI: 10.1126/sciadv.aay1394)