Summary
Bu protokolün amacı, yakın zamanda Avustralya senkrotronunda görevlendirilen yüksek viskoz enjektör Lipidico'da veri toplama için seri kristalografi örneklerinin nasıl hazırlanacağını göstermektir.
Abstract
Avustralya senkrotron'larında seri kristalografi ölçümleri yapmak için bir tesis geliştirilmiştir. Bu tesis, oda sıcaklığında çok sayıda küçük kristali ölçmek için makromoleküler kristalografi (MX2) kiriş hattının bir parçası olarak yüksek viskoz enjektör Lipidico'yu içerir. Bu tekniğin amacı, kristallerin seri kristalografi veri toplama için doğrudan enjektörde kullanılmak üzere cam şırınna yetiştirilmesini/aktarılmasını sağlamaktır. Bu enjektörün avantajları, akış hızının kesintiye uğramadan akış hızındaki değişikliklere hızlı bir şekilde yanıt verebilmesidir. Bu yüksek viskoziteli enjektör (HVI) için izin verilen örnek viskozitelerinin >10 Pa.s.'a sınırlandırılmasını içeren çeşitli sınırlamalar vardır. Akış kararlılığı, örneğin belirli özelliklerine bağlı olarak potansiyel olarak bir sorun olabilir. Avustralya senkrotron'larında seri kristalografi ölçümleri için numunelerin nasıl ayarlanıp enjektörün nasıl çalıştırılacağına ilişkin ayrıntılı bir protokol burada sunulmaktadır. Yöntem, lysozyme kristallerinin yüksek viskoz bir ortama (silikon gres) aktarılması ve enjektörün MX2'de veri toplama için çalışması da dahil olmak üzere numunenin hazırlanmasını göstermektedir.
Introduction
Seri kristalografi (SX), başlangıçta X-ışını Serbest Elektron Lazerleri (XFEL'ler) 1, 2,3,4bağlamında geliştirilen bir tekniktir. Sabit hedef yaklaşımları SX5,6,7için kullanılabilse de, tipik olarak, kristalleri X-ışını ışınlarına sürekli bir akışta teslim etmek için enjektör sistemleri kullanılır. Çok sayıda kristalden gelen verileri birleştirdiği için, SX deney sırasında herhangi bir kristal hizalama ihtiyacını önler ve verilerin odasıcaklığında 8,9. Uygun bir enjektör yardımıyla, kristaller X-ışını etkileşim alanına tek tek akar ve elde edilen kırınım verileri bir alan dedektörü9,10'da toplanır. Bugüne kadar SX, geleneksel kristalografi kullanarak ölçülemeyecek kadar küçük kristaller de dahil olmak üzere1,11,12,13 protein yapılarını çözmede başarılı olmuştur. Ayrıca XFEL'in femtosaniye darbe süresinden yararlanarak zaman çözülen moleküler dinamikler hakkında yeni içgörüler sağlamıştır. Optik lazer kaynakları ile pompa probu reaksiyonları başlatılarak fotosistem II14 , 15, fotoaktif sarı protein16,17,sitokrom Coksidaz18 ve bakteriyhodopsin19,20,21üzerinde derinlemesine çalışmalar yapılmıştır. Bu çalışmalar, zaman ile çözülen biyolojik süreçleri anlamak için seri kristalografinin önemli potansiyelini gösteren ışık aktivasyonundan sonra ortaya çıkan elektron transfer dinamiklerini araştırmıştır.
Seri kristalografinin gelişimi de senkrotron kaynakları 9 , 12,20,22,23,24'tegiderek yaygınlaşmaktadır. Senkrotron bazlı SX, çok sayıda bireysel kristalin uygun bir enjektör sistemi kullanılarak oda sıcaklığında verimli bir şekilde ölçülmasını sağlar. Bu yaklaşım daha küçük kristaller için uygundur, bu nedenle verileri toplamak için hızlı bir kare hızı dedektörü gerektirmenin yanı sıra, mikro odaklı bir ışın da gereklidir. Geleneksel kristalografi ile karşılaştırıldığında, SX, X-ışını ışınındaki tek tek kristallerin montajını ve hizalamasını içermez. Çok sayıda bireysel kristalden elde edilen veriler birleştirildiğinden, her kristal tarafından alınan radyasyon dozu geleneksel kristalografiye kıyasla önemli ölçüde azaltılabilir. Synchrotron SX, yeterince yüksek kare hızına sahip bir dedektörün mevcut olması koşuluyla (örneğin, 100 Hz veya daha fazla) milisaniyelik rejime kadar zaman çözümlenmiş reaksiyonların incelenmesine de uygulanabilir. Başlangıçta XFEL kaynakları 20,22,23'tegeliştirilen enjektörlerkullanılarak senkrotronda çeşitli seri kristalografi deneyleri yapılmıştır. En yaygın iki enjektör türü Gaz Dinamik Sanal Nozül (GDVN)25 ve Yüksek Viskoz Enjektör (HVI)9, 24,26,27,28 'dir. GDVN, düşük viskoziteli, sıvı numuneler enjekte etmek için idealdir, ancak kararlı akışlara ulaşmak için yüksek akış hızları gerektirir ve bu da yüksek numune tüketim oranlarına yol açar. Bunun aksine, HVI'ler çok daha düşük akış hızlarında kararlı bir akış üretilmesine izin veren ve çok daha düşük numune tüketimine yol açan yüksek viskoziteli numuneler için uygundur. Bu nedenle, HVI enjektörü, viskoz bir taşıyıcının tercih edildiği (örneğin, membran proteinleri için lipid bazlı) ve / veya büyük miktarlarda numunenin bulunmadığı numunelerin teslimini tercih eder. SX enjektörlerinin kullanımı genellikle zordur ve çalışması için kapsamlı eğitim gerektirir. Ayrıca, numunenin özel bir rezervuara yüklenmesi gerektiğinden, uzun numune aktarım protokollerini de içerirler, bu genellikle numunenin 'ölü hacimde' veya bağlantılardaki sızıntılar yoluyla kaybolmasıyla ilişkili yüksek bir riske sahiptir. Bu nedenle, numune X-ışını ışınlarına ulaşmadan önce herhangi bir kaybı azaltmak için enjektör tasarımını optimize etmek istenir.
Son zamanlarda, ilk SX sonuçları Lipidico23 kullanılarak bir lysozyme hedefi kullanılarak, bir Eiger 16M dedektörü kullanılarak yayınlandı. Bu enjektör tasarımı, ilk kristalizasyondan kristallerin enjektöre aktarılmasına ve ardından numunenin X-ışını ışınına teslim edilmesine kadar olan adımların sayısını en aza indirerek örnek atıklarını sınırlar. Bu makale, aynı kristalizasyon kabını kullanarak numune hazırlamadan başlayarak, enjeksiyon sürecine ve son olarak veri toplama işleminden başlayarak örnek aktarım prosedürünü açıklar ve gösterir. Enjektörün çalışması da açıklanmıştır.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Cam şırınnalar kullanılarak yüksek viskoziteli bir ortamda kristallerin hazırlanması
- Yumuşak bir kristal pelet oluşturmak ve fazla tamponu çıkarmak için kristal çözeltisini hafifçe (~1.000 x g, 22 °C'de ~10 dk) santrifüjleyin. Bu, veri toplama için kullanılabilecek pelet içinde yüksek miktarda kristalle sonuçlanacaktır.
NOT: Viskoz ortamın seyreltilmesini önlemek için bu adımda kristal konsantrasyonunu artırın. Ortam için yüksek viskoziteyi korurken yüksek miktarda kristal elde etmek için her örnek için viskoz ortamın kristal hacmine oranını optimize edin. Bir pelet oluşturmak için kristal çözeltiyi santrifüj edin ve Darmanin et'te açıklandığı gibi çözeltideki kristal konsantrasyonu artırmak için fazla tamponu çıkarın. al.29. - Bir bağlayıcı ile iki adet 100 μL şırınna kurun.
- Bağlayıcıyı ilk şırınnanın sonuna sabitleyin ve şırınnanın üstüne 28 μL kristal çözelti ekleyin. Yavaşça, pistonu şırınnanın tepesine yerleştirin ve çözeltiyi yavaşça bağlayıcı ucun sonuna doğru itin ve oluşan hava kabarcıklarını çıkarın. Bunu, aşağıda açıklanan iki yöntemden birini izleyerek yapın.
NOT: Yüksek viskoz ortama eklenecek kristallerin hacmi, genel numunenin viskozitesini önemli ölçüde değiştirmezse değiştirilebilir.- İlk yöntem: Hava kabarcıklarını patlatmak için hızlı basınç değişiklikleri kullanın.
- Eldivenli bir parmağı künt bağlayıcı iğne noktasının üstüne dikkatlice yerleştirin ve (çok nazikçe) bir conta oluşturmak için basınç uygulayın. İğne çubuğu yaralanmasına neden olabileceğinden çok fazla basınç uygulamayın.
- Şimdi çözeltiyi iğne noktasından uzaklaştırmak için pistonu geri çekin, bu şırıngada basınç birikmesine neden olacaktır.
- Eldivenli parmağı körelmiş iğne ucundan çıkararak şırınganın üstündeki basıncı hızla serbest bırakın. Dikkatli olun, parmak çıkarıldığında numune ucuna çok yakınsa, numune kaybına neden olabilir. Şırınd içindeki basınçtaki hızlı değişim hava kabarcıklarını patlatacaktır. Tüm kabarcıklar çıkarılana kadar tekrarlayın.
- İkinci yöntem: Hava kabarcıklarını gidermek için 'insan santrifüjü' kullanma.
- Şırıngayı bir elinizle iğne yukarı bakacak şekilde ve piston iki parmak arasına sıkışmış olacak şekilde yerleştirin, böylece hareket edemez.
- Şırınnayı bir yönde tutan kolu 2-3 kez hızlı bir şekilde döndürün, numunedeki santrifüj kuvveti şırınnadan herhangi bir hava kabarcığı çıkmaya zorlayacaktır. Dikkatli olun, çok yavaş yapılırsa örnek kaybolabilir.
- Şırındıcı hava kabarcıkları için inceleyin, kabarcıklar kalırsa, tüm hava kabarcıkları çıkarılana kadar 1.3.2.1 – 1.3.2.2 adımlarını tekrarlayın.
- İlk yöntem: Hava kabarcıklarını patlatmak için hızlı basınç değişiklikleri kullanın.
- İnce bir spatula kullanarak, ~42 μL yüksek vakumlu silikon gresi doğrudan ikinci şırınnanın üstüne ekleyin. Pistonu sonuna kadar itin, tüm hava kabarcıklarını çıkarın ve şırınnanın ucunda hava boşluğu olmadığından emin olun.
NOT: Silikon gresinin hassas bileşimi, atıl bir taşıyıcı görevi göremediği için kritik değildir. >10 Pa.s viskozite değeri veya kristal çözeltiye yaklaşık 60:40 silikon gres oranı enjeksiyon için en uygunudur, ancak bu numunenin kesin özelliklerine bağlı olarak değişebilir. Tartışmada belirtildiği gibi, karışımdaki kristal konsantrasyonunu optimize etmek için silikon grese eklenen kristal çözeltisinin hacmini ayarlayın. Silikon gres dışındaki yüksek viskozortamlar, örnek 30 , 31 , 32,33ile uyumlu oldukları sürecekullanılabilir. - İki şırınnada da hava kabarcığı olmadığından emin olun ve şırınnaları bağlayıcıyı kullanarak birbirine takın. Parmaklardan oluşan ısı nedeniyle şırınnanın ısınması numuneyi etkileyebileceğinden şırınnanın sadece ucunu kavrayarak şırınnaları dikey olarak tutun.
- Kristal çözelti tarafındaki pistonu hafifçe bastırarak numuneyi karıştırın, böylece silikon grese karışır ve ardından pistonu silikon gres tarafına iter, böylece numuneyi kristal çözelti tarafına doğru geri iter. Hafifçe, bu işlemi 50 ila 100 kez tekrarlayın, böylece numune iyice karıştırılır ve homojengörünür.
NOT: Kristaller doğrudan yüksek viskoziteli ortamda yetiştirilirse (örneğin, lipidik kübik faz, LCP), 1.1–1.6 adımları gerekli değildir. Şırındlar içinde kristal yetiştirmek için protokoller Liu et.al bulunabilir. 34,35. Bu iletişim kuralını, tüm örneğin artık tek bir şırınnada bulunduğu ve kristalizasyon arabelleği kaldırıldığı örnek konsolidasyon, adım 10'a kadar izleyin. Bu protokol için 7.9MAG eklenmesi gerekli değildir. Bunun yerine, şırınnada daha fazla sıvı kalmayana kadar pistonu numunede hafifçe aşağı iterek şırınnadan tüm fazla sıvıyı çıkarın. - Kristalleri şırıngadan optik mikroskop altında görselleştirin veya en iyi sonuçlar için cam bir kaydırağa az miktarda (~1 μL) çıkarın ve üstüne bir kapak kayması yerleştirin.
- Kristal konsantrasyonuna bak.
- Optik mikroskop görüntülerini kullanarak belirli bir alandaki kristal sayısını sayarak silikon gresteki kristal konsantrasyonunu belirleyin. En iyi sonuçlar için, medya boyunca eşit olarak dağıtılan yüksek kristal yoğunluğu, yüksek kristal isabet oranı elde etmek için idealdir (>106 kristal/mL).
- 1.3 ve 1.4 adımlarında kristallerin viskoz ortama oranını değiştirerek şırınnadaki kristal konsantrasyonu ayarlayın.
- Kristal konsantrasyonunu azaltmak için, adım 1.4'te silikon gres /HV ortamı miktarını artırarak veya şırıngları 1.1 adımda kurmadan önce kristal peletin kristalizasyon tamponu ile seyrelterek şırınnadaki kristalleri seyreltin.
- Kristal konsantrasyonunu artırmak için, adım 1.4'te silikon gres miktarını azaltın, ancak viskoziteyi 10 Pa'nın altına düşürmemeye dikkat edin.
NOT: Burada bildirilen kristal konsantrasyonu bu özel numune ve kristal boyutu için optimize edilmiştir. Bununla birlikte, ideal kristal konsantrasyonu kristal boyutuna, ışın boyutuna, iğne İç Çapına (I.D.) ve olay X-ışını akısına bağlı olacaktır. Bu, 'iyi' olarak kabul edilen ~%30'luk optimum isabet oranıyla isabet oranından belirlenebilir. Uygulamada, kristal konsantrasyonu istenen isabet oranını elde etmek için ışın süresi boyunca farklı numuneler için optimize edilmelidir. Yüksek kristal konsantrasyonu ile başlayın, 109 kristal / mL. Kristal konsantrasyonu ayarlama prosedürü Liu et.al verilir. 35.
- İletişim kuralı, enjektör veri toplamaya hazır olana kadar burada duraklatılabilir.
- Kristaller LCP'de yetiştirilirse, onları kapatın ve oda sıcaklığında birkaç güne kadar şırındaklarda kalmasına izin verin.
- Kristaller farklı bir yüksek viskoz ortama (örneğin silikon gres) aktarılmışsa, ölçümden önce kristallerin zaman içinde stabilite testi yapılmalıdır. Bu, kristallerin inert ortamda ne kadar süre kararlı olduğunu (ideal olarak > 8 h) ve veri toplama zaman sınırını belirler. Burada, lysozyme kristalleri silikon greste günlerce stabildi ve optik mikroskop kullanılarak incelendiğinde çözülme belirtileri göstermedi.
- Bağlayıcının bağlantısını kesmeden önce tüm örneği tek bir şırınna taşıyın. Bağlayıcıyı şırıngadan çıkarın ve enjeksiyon iğnesini takın. İğneyi şırınganın tabanına sıkıca vidaleyin ve herhangi bir sızıntıyı önlemek için sıkıca tutturulmasını sağlayın. Bu deney için 108 μm I.D. iğne (iğne uzunluğu 13 mm, nokta stili 3) kullanılmıştır. Kristal boyutuna ve kiriş boyutuna bağlı olarak 51 μm veya 108 μm I.D. iğnesi takın.
NOT: Doğru enjektör iğne boyutunu seçebilmek için ışınlama süresinden önce numune akışının ön test edilmesi gerekir. Numune özelliklerine (viskozite, şarj, tampon bileşimi) ve iğne kimliğine bağlı olarak, numuneler farklı akacaktır. Bu nedenle, veri toplama sırasında sinyal-gürültü oranını en üst düzeye çıkarmak için mümkün olan en küçük kimlik iğnesi ile en kararlı akışı üretmek için çeşitli iğne boyutlarının test etmesi önerilir. - Enjektör zaten monte edilmiş ve ışın hattına hizalanmışsa, bölüm 3'e geçin ve numune şırınnasını doğrudan enjektöre monte edin.
NOT: Protokol burada duraklatılabilir.
2. Enjektör montajı ve kontrolü
- Enjektörü kiriş çizgisine monte edin. MX2 kiriş hattındaki kriyojenik nozülü çıkarın ve enjektörle değiştirdi. Kriyojenik nozüle tutan sıkma vidasını gevşetin ve motorlu sahnenin yanında bulunan brakete takın.
- Siyah sapı tutarak enjektörü arabasından yukarı kaldırın ve motorlu sahneye yerleştirin.
- Enjektörü motorlu aşamaya sabitlemek için; siyah sıkma vidalı düğmeyi elle sıkın.
- Enjektöre boş bir şırınna monte edin
- Enjektör bilgisayar kontrol arabiriminde (örneğin, EPOS konum kontrol yazılımı), yazılım menüsündeki Araçlar'ın altında Homing Modu'nu seçin. Ardından Negatif Sınır Anahtarı'nı seçin ve Homing'i başlatın, şırınnanın vidanın altına sığmasını sağlamak için vida yeterince çekilene kadar yazılımın çalışmasına izin verin. Denetimsiz çalışacak şekilde bırakılırsa, limit anahtarı vidayı otomatik olarak durdurur.
- İğneyi şırınga tutucusundaki yarıktan geçirerek enjektöre boş ('kukla') bir şırınga takın. Şırındıcı brakete hizala.
- Şırınnayı iki O halkası ile sabitleyin.
- İlk O-halkayı şırınnanın orta bölümüne sarın ve şırınnanın her iki tarafındaki kancalara takın.
- İkinci O-halkayı şırınnanın üst kısmındaki kancaların etrafına dola ve ardından O halkasının bir parçasını gösteride ve Şekil 1B'degösterildiği gibi cam şırınnanın üstüne koyun.
- Enjektörü X-ışını ışınlarına hizalayın
- Enjektör ile motorlu aşamayı beamline kontrol yazılımı aracılığıyla X-ışını etkileşim noktasına doğru hareket ettirin. Bu, satır içi kamera kullanılarak görselleştirilebilir. Işın boyutu ve konumu ekrandaki kırmızı bir haçla gösterilir ve motorlu aşama iğneyi X-ışını etkileşim bölgesiyle hizalamak için hareket ettirilebilir.
- İğneyi kırmızı haçla hizalamak için sahnenin x ve y konumunu ayarlayın.
- İğne ucu netleme gelene kadar z pozisyonunu ayarlayın.
- Şırınga ucunun, ışın çizgisi kamerası tarafından oluşturulan optik mikroskop görüntüsünde görülebilen nişangahlarla bir araya gelip gelmediğini kontrol ederek iğne ucunun ve X-ışını ışınının hizalamasını görsel olarak doğrulayın.
- İğne ucu hizalandıktan sonra ucu çapraz kılların üzerine ~100 μm hareket ettinin. Bu, iğne ucundaki x-ışını saçılmasını ortadan kaldırır.
NOT: Enjektörün senkrotrondaki MX2 kiriş çizgisine monte edilmesi ve hizalaması, ışın çizgisi bilim adamları tarafından yapılmalıdır ve 30 dakikadan daha kısa bir sürede tamamlanabilir.
3. Numune şırındıcının montajı
- 2.3 adımını izleyerek boş şırınnayı örnek şırınna ile değiştirin.
- Enjektör kapağını örnek şırınna piston başlığına yerleştirin.
- Sürücü vidasını kapağın üstüne taşıyın.
- Enjektör kontrol yazılımında Hız Modu 'nuseçin.
- Ayar Değeri olarak 3000 rpm (~115 nL/s) girin ve Ayar Değeri Uygula 'yabasın.
- Tahrik vidası şırınna piston başlığının kapağına dokunduğunda motoru durdurun.
- Vida kapağa yaklaşırken Ayar Değerini '0' olarak değiştirerek enjektör kontrol yazılımında rpm değerini sıfır olarak ayarlayın.
- Temas kurulduktan sonra, vidayı anında durdurmak için Ayar Değeri Uygula'ya basarak önceden ayarlanmış değeri etkinleştirin.
- Sıkıca yerinde tutulduğundan emin olmak için kapağı hafifçe oynatın.
NOT: Denetim yazılımındaki Ayar Değeri kutusuna yeni bir ayar değeri girildiğinde, yalnızca Ayar Değeri Uygula 'yabasıldıktan sonra etkinleştirilir.
4. Enjektörü çalıştırma
- Kapak tahrik vidası pistonun üst kısmıyla sıkı temas ettikten sonra rpm Ayar Değerini 100 olarak değiştirin. Bu ~ 4 nL/s'ye eşdeğerdir.
- Numune ilk çıktığında iğne ucunu görsel olarak inceleyin veya numunenin iğne ucundan ne zaman ekstrüde olmaya başladığını gözlemlemek için iğnenin beamline kamera görüntüsüne bakın.
- Mandalı arayın, hutch kapısını kapatın ve X-ışını ışınını açın. Bu noktadan itibaren enjektör hutch dışından uzaktan çalıştırılmalıdır.
- Kararlı bir akış oluşturulana kadar rpm'i ayarlayın.
- rpm Ayar Değerini 90'a düşür.
- Akışı yavaşlatmak, ancak yine de kararlı bir akış sağlamak için rpm Ayar Değerini 10'luk artışlarla azaltarak 4.4.1 adımını yineleyin. Silikon gres için 30 rpm değeri kullanılmıştır.
NOT: Tipik rpm aralığı, numune özelliklerine ve X-ışını maruz kalma süresine bağlı olarak 30 – 100 rpm (1 – 4 nL/s) arasında değişir. Genel olarak, rpm kararlı bir akış korurken en yavaş akış hızını (numune tüketimini en aza indirmek için) üretecek şekilde ayarlanmalıdır.
- İyi akmayan bir örnek akışı yönetme.
- Akış düzleşene kadar rpm Ayar Değerini 10'un artışlarıyla artırmaya devam edin. Akış sabitlenmezse, rpm Ayar Değeri'ni en fazla 100 rpm değerine yükselttikten sonra bile, aşağıda açıklanan iki yöntemden birini uygulayarak kararlılığı artırmaya çalışın.
- İlk yöntem: Numuneyi yönlendirmeye yardımcı olmak için numune akışının altına bir polistiren örnek yakalayıcı yerleştirin. Bu yöntem, yüksek yüklü örnek akışlar için iyi çalışır.
- İkinci yöntem: Örnek yakalayıcıya bir venturi emiş hunisi yerleştirin. Huniye hava sağlamak için, hutch'ta bulunan hava çıkış tüpüne bağlayın. Bu yöntem, akışın yükünden bağımsız olarak numune akışının yönlendirlenmesine ve stabilizelenmesine yardımcı olabilir.
- Akış düzleşene kadar rpm Ayar Değerini 10'un artışlarıyla artırmaya devam edin. Akış sabitlenmezse, rpm Ayar Değeri'ni en fazla 100 rpm değerine yükselttikten sonra bile, aşağıda açıklanan iki yöntemden birini uygulayarak kararlılığı artırmaya çalışın.
- Sabit ve sabit bir akış elde edildikten sonra, veri toplamaya başlayın ve dedektör mesafesini normal bir X-ışını kristalografisi deneyine göre optimize edin.
NOT: Rpm, 'Lipidico Cihaz Hesaplayıcısı' Ek Bilgileri'nde sağlanan dönüştürme tablosu kullanılarak akış hızına dönüştürülür. Bu hesap makinesini kullanarak akış hızını hesaplamak için rpm değerini, iğne çaplarını ve şırınga hacimlerini girin.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Lipidico, MX2'de kullanılmak üzere alternatif bir teslimat sistemi olarak inşa edilmiş bir HVI'dir (Şekil 1). Kristallerin lipidik kübik fazda yetiştirildiği veya yüksek viskoz inert ortama aktarıldığı SX için idealdir.
Enjektör uygulamasını göstermek için, Avustralya senkrotronundaki MX2 kiriş hattında SX verilerini toplamak için lysozyme kristalleri ile karıştırılmış silikon gres kullanıldı. Enjektörü MX2 kiriş çizgisine monte etmek için kriyojenik nozül çıkarılır ve Şekil 1'degösterildiği gibi enjektörle değiştirilir. Şırıng örnekleri doğrudan enjektöre monte edilir ve O-halkaları kullanılarak tutturulır (Şekil 1B). Veri toplama, örnek bir değişiklik yaptıktan sonra birkaç dakika içinde başlatılabilir. Enjektör, SX'e aşina olmayan kullanıcılar için kullanımı kolay basit bir kurulumla hızlı numune kontrolü için tasarlanmıştır.
Şekil 1: SX deneyleri için Avustralya senkrotronlarında kullanılan viskoz bir enjektör olan Lipidico'nun görüntüleri. (A) Lipidico'nun MX2'ye dahil edilmiş bir fotoğrafını gösterir. Kırmızı ok X-ışını ışınının yönünü gösteriyor. (B) Lipidico'daki örnek tutucu bölgenin daha yakından görünümü. Şırıng iki O halkası tarafından yerinde tutulur ve örnek yakalayıcıda toplanır. (D) Enjektör iğnesini ve iğnenin altında görülen bir polistiren/ venturi emiş tutucuyu içerecek şekilde değiştirilebilen örnek atık tutucuyu gösteren örnek akışın yakından görünümü (A). Figür Berntsen et'ten uyarlanmıştır. al. 2019 AIP Yayıncılık'ın izniyle23. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Enjektör, çeşitli yüksek viskoziteli taşıyıcılarla uyumludur. Enjektör için en uygun numune çalışma hızı akış stabilitesi için çok önemlidir, çok yavaş bir kıvrılma etkisine / akış genişlemesine neden olur ve çok hızlı akış bozulmasına neden olur. Optimum hız, kullanılan taşıyıcı sisteme bağlı olarak değişecektir. Şekil 2 ve Şekil 3, farklı enjektör hızlarında test edilen silikon gresini gösterir ve akış davranışının nasıl değişebileceğini gösterir. Yavaş bir akış hızı(Şekil 2A, 2.3 nL/s), enjektörden ekstrüde edilen silikon gresinin genişlemesine neden olurken, daha hızlı bir akış hızı(Şekil 2C, 6.6 nL/s) daha ince bir akış üretir. Viskoz medya akışının kıvrılması düzenli olarak gözlenmiştir (Şekil 3A). Bu sorunun üstesinden gelmek için iki yenilikçi çözüm test edildi: bir polistiren tutucu ve iğnenin altında bir venturi emme hunisi. Polistiren tutucu zayıf bir elektrostatik kuvvet sunar ve silikon gres durumunda olduğu gibi yüksek yüklü numunelerde en iyi şekilde çalışır (Şekil 3B), venturi emiş hunisi ise akışı örnek şarjdan bağımsız olarak yakalayıcıya dikey olarak yönlendirmeye yardımcı olur. Numunenin özelliklerine bağlı olarak her iki seçenek de başarıyla kullanılabilir.
Şekil 2: Farklı enjektör hızları kullanarak yüksek viskoz taşıyıcı akışının etkisi. %100 silikon gres, akış özelliklerini değerlendirmek için farklı numune hızlarında test edildi. (A) . 2,3 nL/s (30 rpm), (B) 3,5 nl/s (90 rpm) ve (C) 6,6 n/s (170 rpm). Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 3: Viskoz ortamın kıvrılma gösteren % 100 silikon gresinin akış davranışı. (A) 2,3 nl/sn (30 rpm) (30 rpm) kıvırma etkisi (B) 2,3 nL/sn (30 rpm) hızında çalışan enjektör hızı ile polistiren tutucuyu numune atık tutucusuna eklemenin etkisi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Silikon greste asılı 26 μL lysozyme kristali (kristal boyutu 10 μm x 10 μm x 20 μm) içeren bir cam şırınna kullanılmıştır (Şekil 4A). Lipidico, 108 μm iğne I.D.'yi kullanarak, ortalama akış hızı 1.14 nL / s olan (motor 30 rpm'ye ayarlanmış) sabit bir örnek akışı oluşturdu. Isabet oranını değerlendirmek için36 tepe bulma algoritması kullanıldı ve veri toplama süresinin 38 dakikası içinde yeterli miktarda veri (toplam 224.200 görüntü) toplanarak yapının alınmasını sağladı (PDB kodu 6MQV). Tablo 1, veri toplama istatistiklerinin bir özetini sağlar ve Şekil 4B, lysozyme yapısındaki di-sülfit bağlarından birini çevreleyen elektron yoğunluk haritasının temsili bir görüntüsünü gösterir20.
Şekil 4: Lysozyme görüntüleri. (A) Silikon gres içinde lysozyme kristallerinin optik görüntüleri. Görünür bir ışık mikroskobu kullanılarak görüntülenen yüksek viskoz bir ortam, silikon gres ile karıştırılmış lysozyme kristallerinin çapraz polarize (40x büyütme) görüntüsü. Kristallerin boyutu 15 ila 20 μm arasında değişir ve (B) Lysozyme'ın disülfid bağlarını çevreleyen elektron yoğunluk haritasının (2Fo-Fc, 1φ) temsili bir görüntüsü. Figür Berntsen et'ten uyarlanmıştır. al. 2019 AIP Yayıncılık'ın izniyle23. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Ek Bilgi. Bu dosyayı indirmek için lütfen tıklayınız.
Tablo 1: Lipidico'dan alınan SX veri istatistiklerini gösteren özet tablo. Lysozyme kristalleri yüksek viskoz bir ortam, silikon gres ile karıştırıldı ve MX2 kiriş hattının X-ışını etkileşim bölgesinden aktı. Bu, Berntsen et'te yayınlanan eksiksiz sonuç tablosunun bir özetidir. al.23. Tablo buraya AIP Publishing'in izniyle uyarlanmıştır.
| Veri istatistikleri | Lipidico, MX2 kiriş çizgisi |
| Dedektörü | Dectris EIGER X 16M, |
| kare hızı | 100Hz |
| Numune dedektörü mesafesi (mm) | 300 |
| X-ışını enerjisi (KeV) | 13 |
| Işın boyutu (WxH) (μm) | 12x22 |
| Hayır. çerçevelerin sayısı | 224200 |
| Isabet oranı (%) | 2.95 |
| Hayır. dizine eklenmiş çerçeveler | 4852 |
| Çözünürlük (Å) | 17.74-1.83 |
| Bütünlüğü | 99.44 |
| Boşluk grubu | P43212 |
| Birim hücresi | |
| a, b, c (Å) | 78.68, 78.68, 34.48 |
| α, β, γ (°) | 90, 90, 90 |
| I/σ(I) | 5.08 |
| Yedeklilik | 73.97 |
| CC1/2 | 0.96 |
| Rçalışması/Rücretsiz | 0.18/0.26 |
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Senkrotron kaynaklarında SX deneyleri yapmak için ideal olan alternatif bir HVI geliştirilmiştir. Mevcut HVI'lere göre iki temel avantajı vardır. İlk olarak, geleneksel kristalografi ve SX arasında hızlı geçiş sağlayan kiriş çizgisine kurulumu kolaydır, MX2'ye kurulum ve hizalama için sadece ~ 30 dakika gereklidir. İkincisi, kristal yetiştirmek için kullanılan örnek şırınnalar, numune transferi sırasında wastage'ı sınırlayarak enjeksiyon için rezervuar olarak doğrudan kullanılabilir. Örnekleri değiştirme protokolü açıklanmış ve gösterilmiştir. Tasarım, jeti diğer HVI'lere kıyasla kontrol etmek için karmaşık bir gaz akışı ihtiyacını ortadan kaldırır. Enjektörün akış hızını değiştirmek için gecikmiş bir yanıt olmadan ayarlanabilen basit bir işlem gösterilmiştir.
Başarılı SX veri toplama için en önemli adımlar kristal konsantrasyonunun optimize edilmesi, yüksek viskoziteli ortamın homojen bir karışımının elde edilmesi ve veri toplama için istikrarlı bir akış üretilmesidir. En uygun kristal konsantrasyonu ve homojenliği, kristallerin bir pelete kadar santrifüjleilmesi ve taşıyıcı ortama daha yüksek bir kristal konsantrasyonu eklenerek numunenin bağlayıcı sistemde iyice karıştırılmasını sağlayarak elde edilebilir. Kristal konsantrasyonu optimize edildikten sonra, enjektör akış hızı kararlı bir akış elde etmek için ışınlama süresi boyunca kolayca ayarlanabilir. Viskoz akışın kıvrılması genellikle yüksek viskoz örneklerle gözlenir. İki çözüm sunulmaktadır: şarjlı numuneler için polistiren numune tutucunun kullanılması veya yakalayıcı görevi gören bir venturi emiş hunisinin eklenmesi. Bu, ilk testlerde akışı kontrol etmede başarılı olmuştur, ancak farklı numune koşullarında akışın kıvrılması, numunenin iğne noktasına yapışmasıyla sonuçlanabilir. Özel kaplamalar eklenerek iğnenin yüzey yükü özelliklerinin değiştirilmesiyle bunun üstesinden gelinebilir. Farklı kimyasallarla (silikon) kaplanmış iğneler daha önce sıvı taşıma robotlarıyla kullanılmak üzere başarıyla uyarlanmıştır ve şırınga37'yeuyacak şekilde üretimlerden özel olarak sipariş edilebilir.
Enjektör silikon gres ile sınırlı değildir ve diğer yüksek viskoziteli sıvılarla kullanılabilir. Kristal enjeksiyonu için başarıyla kullanılabilecek ve diğer yayınlarda açıklanan23 farklı alternatif gösterilmiştir22,30,33. Bu HVI'yi kullanarak numune viskozitesinin üst sınırı hala incelenmektedir, ancak 25 Pa.s'ye kadar örnek viskoziteleri (% 100 silikon gres kullanılarak) kararlı bir akışla sonuçlanmıştır. Ancak, numune viskozitesi <10 Pa.s'ye düşürüldüğünde (% 70 silikon gres örneği kullanılarak) güvenilir bir akış üretilemedi. Bu nedenle, 10 Pa.s bu HVI kullanarak enjeksiyon için örnek viskozite mevcut alt sınırı temsil eder. İğne kimliği de önemli bir husustur. 51 μm I.D. herhangi bir kristal olmadan çeşitli taşıyıcılar enjekte edilirken başarıyla test edilmiş olsa da, kristallerin tanıtımı numune akışını bozar. Bu nedenle, boyutlarına bağlı olarak, matrise sokulmuş kristallerle, 51 μm I.D. iğnesini kullanırken daha büyük iğne boyutuna kıyasla çok daha yüksek bir tıkanma olasılığı vardır. Bir tıkanıklık meydana geldiğinde kritik bir basınç birikmesi meydana gelebilir, diğer enjektörlerde bu şırınna kırılmasına neden olabilir. Bununla birlikte, bu HVI'nin tasarımı, bir devre dışı bırakma anahtarı etkinleştirilene kadar basınç çok yüksek olursa tahrik mekanizmasının şırınna pistonundan çekeceği bir güvenlik mekanizması içerir. Bu, sürücünün durdurulmasına neden olur ve cam şırınnanın kırılmasını önler.
Bu enjektör için çeşitli sınırlamalar vardır. Enjektör özellikle yüksek viskoziteli numuneler için tasarlanmıştır, bu nedenle numuneler gibi sıvı doğrudan numune teslimatı için kullanılamaz. Bu sınırlamanın üstesinden gelmek için, tampon sistemlerinde yetişen kristaller, adım 1'de açıklandığı gibi uygun bir inert ortamla karıştırılabilir, ancak kristalin kararsız hale gelme olasılığı vardır. Bu nedenle, numune stabilitesinin korunmasını sağlamak için önce çeşitli inert ortam26,27,28,29'un taranması araştırılmalıdır. İkincisi, kristalin büyüklüğü ve kristal paketleme kalitesi kırınım kalitesini etkileyecektir. MX2 kiriş çizgisi, 22 x 12 μm (H x W) ve akı ~1012 foton/sn optimum ışın boyutunda çalışır. MX2'de SX gerçekleştirmek için en uygun kristal boyutu ~10 μm'dir ve yüksek sinyal-gürültü oranı elde ettiği gösterilmiştir. Bununla birlikte, iyi sıralanmış ve yüksek çözünürlüklü olarak dağıtılmışsa, daha küçük boyutlu kristaller hakkında veri toplamak mümkündür. Bu ışın hattındaki ışın boyutunu ~7,5 μm'ye kadar kesme seçeneği vardır, ancak bu, deney sırasında dikkate alınması gereken olay akısını azalttığı için bir maliyete sahiptir.
Bu enjektörün gelişimi, SX'i ana akım kristalograficiler için kolayca erişilebilir hale getirir. Lipidico'nun başarılı çalışması, çok çeşitli senkrotron kaynaklarında SX veri toplama için hızlı ve kolay bir yönteme kapı açar. MX2'de 10 μm veya daha az olan kristallerde oda sıcaklığı verilerinin toplanmasını sağlar ve bireysel kristaller için radyasyon hasarı etkilerini sınırlar. Ayrıca, Avustralya'da kristalograficiler için güncel son teknoloji ürünü olan SX'in milisaniye çözülen zamanını gerçekleştirmek için yeni bir fırsat sunar. Bu enjektör sisteminin gelecekteki uygulamaları, enjektörün Avustralya Senkrotron'daki diğer kiriş hatlarına kolayca uyarlanmasını sağlayan Küçük Açılı X-ışını Saçılma (SAXS) kullanarak yüksek viskoziteli malzemelerin X-ışını karakterizasyonuna kadar uzanır.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
MK, Kusel tasarımları için çalışır. Özel bir laboratuvar cihaz geliştiricisi olan Kusel Design, La Trobe Üniversitesi'nden Dr. Peter Bentsen ve ANSTO'dan Dr Tom Caradoc-Davies tarafından Avustralya Senkrotron'daki MX2 ışın hattında yüksek viskoz çalışmalara olanak sağlayacak düşük maliyetli bir cihaz geliştirmekle meşgul oldu. Cihaz, Dr. Caradoc-Davies ile yakın istişare içinde geliştirildi. Yazarların rakip finansal çıkarları yoktur.
Acknowledgments
Bu çalışma Avustralya Araştırma Konseyi İleri Moleküler Görüntüleme Mükemmeliyet Merkezi (CE140100011) (http://www.imagingcoe.org/) tarafından desteklenmiştir. Bu araştırma kısmen ANSTO'nun bir parçası olan Avustralya Senkrotron'daki MX2 kiriş çizgisi kullanılarak gerçekleştirildi ve Avustralya Kanser Araştırma Vakfı (ACRF) dedektöründen yararlanıldı.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Hen eggwhite lysozyme | Sigma-Aldrich | L6876 | Used to grow crystals for testing the injector and the crystals are transferred into silicon grease. https://www.sigmaaldrich.com/ |
| High vacuum silicon grease | Dow Corning | Z273554-1EA | Used for testing of injector. https://www.sigmaaldrich.com/ |
| Injector needle (108 µm ID) | Hamilton | part No: 7803-05 | www.hamiltoncompany.com |
| Glass gas-tight syringes, 100 µl | Hamilton | part no: 7656-01 | Syringes used for sample injection. www.hamiltoncompany.com |
| LCP syringe coupler | Formulatrix | 209526 | Syringe coupler to mix the samples |
| Lipidico injector | La Trobe Univerity/ANSTO | This is a specific piece of equipment that can be accessed through La Trobe University / ANSTO Australian Synchrotron Facility |
References
- Boutet, S., et al. High-resolution protein structure determination by serial femtosecond crystallography. Science. 337 (6092), 362-364 (2012).
- Spence, J. C. H., Weierstall, U., Chapman, H. N. X-ray lasers for structural and dynamic biology. Reports on Progress in Physics. 75 (10), 102601 (2012).
- Aquila, A., et al. Time-resolved protein nanocrystallography using an X-ray free-electron laser. Optics Express. 20 (3), 2706-2716 (2012).
- Schlichting, I. Serial femtosecond crystallography: the first five years. International Union of Crystallography. 2, 246-255 (2015).
- Lee, D., et al. Nylon mesh-based sample holder for fixed-target serial femtosecond crystallography. Scientific Reports. 9, 6971 (2019).
- Martin, A. V., et al. Fluctuation X-ray diffraction reveals three-dimensional nanostructure and disorder in self-assembled lipid phases. Communications Materials. 1 (1), 1-8 (2020).
- Roedig, P., et al. High-speed fixed-target serial virus crystallography. Nature Methods. 14 (8), 805 (2017).
- Chapman, H. N., et al.
- Weierstall, U., et al. Lipidic cubic phase injector facilitates membrane protein serial femtosecond crystallography. Nature Communications. 5, 3309 (2014).
- Weierstall, U. Liquid sample delivery techniques for serial femtosecond crystallography. Philosophical Transactions of the Royal Society B-Biological Sciences. 369 (1647), 20130337 (2014).
- Gati, C., et al. Atomic structure of granulin determined from native nanocrystalline granulovirus using an X-ray free-electron laser. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 114 (9), 2247-2252 (2017).
- Nam, K. H. Sample delivery media for serial crystallography. International Journal of Molecular Sciences. 20 (5), 1094 (2019).
- Batyuk, A., et al. Native phasing of x-ray free-electron laser data for a G protein-coupled receptor. Science Advances. 2 (9), 1600292 (2016).
- Kern, J., et al. Structures of the intermediates of Kok's photosynthetic water oxidation clock. Nature. 563 (7731), 421 (2018).
- Suga, M., et al. An oxyl/oxo mechanism for oxygen-oxygen coupling in PSII revealed by an x-ray free-electron laser. Science. 366 (6463), 334-338 (2019).
- Tenboer, J., et al. Time-resolved serial crystallography captures high-resolution intermediates of photoactive yellow protein. Science. 346 (6214), 1242-1246 (2014).
- Pande, K., et al. Femtosecond structural dynamics drives the trans/cis isomerization in photoactive yellow protein. Science. 352 (6286), 725-729 (2016).
- Ishigami, I., et al. Snapshot of an oxygen intermediate in the catalytic reaction of cytochrome c oxidase. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 116 (9), 3572-3577 (2019).
- Nango, E., et al. A three-dimensional movie of structural changes in bacteriorhodopsin. Science. 354 (6319), 1552-1557 (2016).
- Nogly, P., et al. Lipidic cubic phase serial millisecond crystallography using synchrotron radiation. International Union of Crystallography. 2, 168-176 (2015).
- Nogly, P., et al. Retinal isomerization in bacteriorhodopsin captured by a femtosecond x-ray laser. Science. 361 (6398), (2018).
- Martin-Garcia, J. M., et al. Serial millisecond crystallography of membrane and soluble protein microcrystals using synchrotron radiation. International Union of Crystallography. 4, 439-454 (2017).
- Berntsen, P., et al. The serial millisecond crystallography instrument at the Australian Synchrotron incorporating the "Lipidico" injector. Review of Scientific Instruments. 90 (8), 085110 (2019).
- Botha, S., et al. Room-temperature serial crystallography at synchrotron X-ray sources using slowly flowing free-standing high-viscosity microstreams. Acta Crystallographica Section D-Structural Biology. 71, 387-397 (2015).
- DePonte, D. P., Nass, K., Stellato, F., Liang, M., Chapman, H. N. Sample injection for pulsed X-ray sources. Advances in X-Ray Free-Electron Lasers: Radiation Schemes, X-Ray Optics, and Instrumentation: Proceedings of Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers. Tschentscher, T., Cocco, D. , Prague, Czech Republic. 8078 (2011).
- Park, S. Y., Nam, K. H. Sample delivery using viscous media, a syringe andasyringe pump for serial crystallography. Journal of Synchrotron Radiation. 26, 1815-1819 (2019).
- Shimazu, Y., et al. High-viscosity sample-injection device for serial femtosecond crystallography at atmospheric pressure. Journal of Applied Crystallography. 52, 1280-1288 (2019).
- Kovacsova, G., et al. Viscous hydrophilic injection matrices for serial crystallography. International Union of Crystallography. 4, 400-410 (2017).
- Darmanin, C., et al. Protein crystal screening and characterization for serial femtosecond nanocrystallography. Scientific Reports. 6, 25345 (2016).
- Conrad, C. E., et al. A novel inert crystal delivery medium for serial femtosecond crystallography. International Union of Crystallography. 2, 421-430 (2015).
- Sugahara, M., et al. Grease matrix as a versatile carrier of proteins for serial crystallography. Nature Methods. 12 (1), 61-63 (2015).
- Sugahara, M., et al. Oil-free hyaluronic acid matrix for serial femtosecond crystallography. Scientific Reports. 6, 24484 (2016).
- Fromme, R., et al. Serial femtosecond crystallography of soluble proteins in lipidic cubic phase. International Union of Crystallography. 2, 545-551 (2015).
- Ishchenko, A., Cherezov, V., Liu, W. Preparation and Delivery of Protein Microcrystals in Lipidic Cubic Phase for Serial Femtosecond Crystallography. Journal of Visualized Experiments. (115), e54463 (2016).
- Liu, W., Ishchenko, A., Cherezov, V. Preparation of microcrystals in lipidic cubic phase for serial femtosecond crystallography. Nature Protocols. 9 (9), 2123-2134 (2014).
- Hadian-Jazi, M., et al. A peak-finding algorithm based on robust statistical analysis in serial crystallography. Journal of Applied Crystallography. 50, 1705-1715 (2017).
- Kong, F. W., Yuan, L., Zheng, Y. F., Chen, W. D. Automatic Liquid Handling for Life Science: A critical review of the current state of the art. Journal of Laboratory Automation. 17 (3), 169-185 (2012).
