Ny konfigurasjon kan ESR-studier på små protein krystaller

0
5

Kilde: © Jason W Sidabras et al/AAAS

Den forbedrede EPR var i stand til å avdekke ny informasjon om [FeFe]-hydrogenase – et enzym som er av interesse i energy research takket være sin evne til å produsere hydrogen

Et elektron paramagnetiske resonans (ESR) – metoden som fungerer med nanolitre volum krystaller kan lokke ut ny informasjon om enzymer uten behov for stor og vanskelig å vokse krystaller. Teknikken, som er basert på en spesiell resonator geometri, kan brukes til å utføre EPR eksperimenter på svært lite protein krystaller som de brukte for x-ray crystallography. Det nye oppsettet gjør det mulig detaljerte studier på langt mer proteiner enn det som tidligere var mulig.

Mange viktige biokjemiske prosesser kan bli undersøkt ved hjelp av EPR. Teknikken er spesielt nyttig for å studere enzym reaksjoner fordi det kan gi verdifull informasjon om den elektroniske struktur av det aktive området. I en typisk EPR eksperiment, en frossen løsning av biomolecule er plassert i en mikrobølgeovn hulrom – en type resonator – men mengden av informasjon som er innhentet på denne måten er begrenset. Selv om enkelt-crystal EPR eksperimenter kunne gi mer data, er denne metoden er sjelden brukt til protein systemer på grunn av utfordringer i økende egnet krystaller. Mange prøver som brukes i x-ray crystallography har dimensjoner i trinn på 0,05–0,3 mm rekkevidde, men krystaller av denne størrelsen er for liten til å bli studert ved hjelp av kommersiell EPR spektrometre.

Forskere i Tyskland har nå funnet en måte å øke følsomheten av EPR eksperimenter med en faktor på opp til 28 ved å bytte ut den mikrobølgeovn hulrom av konvensjonelle oppsett med en selv-resonant microhelix, som består av en liten tett såret våren laget av sølv wire. ‘Man kan tenke på det som en linse for magnetisk flux som er designet for å maksimere fylling faktor for svært små prøver, sier Jason Sidabras ved Max Planck-Instituttet for Kjemisk Energi Konvertering. I en EPR eksperimentere, prøve og samarbeider med magnetisk fluks og dette gir opphav til signal målt med instrumentet. ‘Hvis prøven er for liten, vi trenger en måte å sette den magnetiske fluks på det. Den microhelix gjør dette veldig godt,’ Sidabras sier. “På grunn av dens størrelse og form, det har en spesifikk elektromagnetisk resonans frekvens. Det kalles “self-resonant” fordi resonansfrekvens kommer direkte fra geometri.’

Teamet testet den nye metoden på små krystaller av [FeFe]-hydrogenase – et enzym som er av interesse i energi forskning fordi det catalyses produksjon av hydrogen fra protoner og elektroner. “En viktig karakteristikk av dette systemet, er den såkalte g-tensoren,’ Sidabras sier. “For første gang, vi har målt dette kvantumet i [FeFe]-hydrogenase. Dette krevde eksperimenter skal utføres med enkrystaller av enzymet. Tidligere studier har brukt svært store krystaller – 1 mm eller større og lang måling ganger. Med dette nye oppsettet, eksperimenter som ville ta uker kan nå utføres i dager.’

“Dette er en veldig fin teknologiske bedring, sier Stefan Stoll fra University of Washington, USA, som ikke var involvert i studien. ‘Krystaller av proteiner er alltid veldig liten, og opp til nå EPR var ikke følsom nok til å få signaler fra slike krystaller. Nå, dette er mulig!’

Dimitri Svistunenko ved University of Essex, STORBRITANNIA, er enig. “Som et forskudd i metodikken er spesielt lovende fordi det tillater knyttet EPR data til x-crystallography data innhentet på samme batch av microcrystals. Dette bidrar til å forstå hvordan enzymer virker når du ser på dem fra forskjellige perspektiver, sier han.

Referanser

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