La automatización se ha introducido en todos los pasos del proceso experimental de cristalografía macromolecular, desde la cristalización hasta la recopilación y el procesamiento de datos de difracción1,2,3,4,5,6,7,8,9,incluida una serie de tecnologías para el montaje de muestras10,11,12 ,13,14,15,16,17. Esto no solo ha acelerado el ritmo al que se obtienen las estructuras cristalográficas, sino que ha contribuido a agilizar aplicaciones como el diseño de fármacos guiados porestructuras 18,19,20,21,22,23,24. En este manuscrito describimos algunos de los aspectos de las tuberías de cristalografía automatizada disponibles en el laboratorio HTX en Grenoble, así como las tecnologías subyacentes.
El laboratorio HTX en EMBL Grenoble es una de las instalaciones académicas más grandes para la detección de cristalización en Europa. Está ubicado en el campus europeo de fotones y neutrones (EPN) junto con la Instalación Europea de Radiación Sincrotrón (ESRF), que produce algunos de los haces de rayos X más brillantes del mundo y el Institut Laue Langevin (ILL), que proporciona haces de neutrones de alto flujo. Desde el inicio de las operaciones en 2003, el laboratorio HTX ha prestado servicios a más de 800 científicos y procesa más de 1000 muestras por año. El laboratorio HTX tiene un fuerte enfoque en el desarrollo de nuevos métodos en cristalografía macromolecular, incluidos los métodos para la evaluación de muestras y el control de calidad25,26 y la tecnología CrystalDirect, que permite el montaje y procesamiento de cristales totalmenteautomatizados 15,16,17. El laboratorio HTX también ha desarrollado el Sistema de Gestión de Información Cristalográfica (CRIMS), un sistema de información de laboratorio basado en la web que proporciona comunicación automatizada entre las instalaciones de cristalización y recolección de datos sincrotrón, lo que permite un flujo de información ininterrumpido durante todo el ciclo de la muestra, desde la proteína pura hasta los datos de difracción. A través de la combinación de las capacidades de la instalación HTX, la tecnología CrystalDirect y el software CRIMS, hemos desarrollado tuberías de proteína a estructura totalmente automatizadas que integran la detección de cristalización, la optimización de cristales, el procesamiento automatizado de recolección de cristales y el crioenfriamiento y la recopilación de datos de rayos X en múltiples sincrotrones en un flujo de trabajo único y continuo que se puede operar de forma remota a través de un navegador web. Estas tuberías se pueden aplicar para apoyar la determinación rápida de nuevas estructuras, la caracterización de complejos proteína-ligando y el cribado de compuestos y fragmentos a gran escala a través de la cristalografía de rayos X.
El laboratorio HTX está equipado con un robot de cristalización sin volumen (que incluye un módulo LCP que permite la cristalización de proteínas solubles y de membrana), granjas de cristales (a 5 ° C y 20 ° C), dos estaciones robóticas de manejo de líquidos para preparar pantallas de cristalización y dos cosechadoras de cristales CrystalDirect automatizadas con capacidad para producir y almacenar hasta 400 pines de muestra congelados por ciclo de operación. Los científicos envían sus muestras a las instalaciones por mensajería urgente, que luego son procesadas por técnicos dedicados en el laboratorio HTX. Los científicos pueden diseñar de forma remota experimentos de detección y optimización de cristalización a través de una interfaz web proporcionada por el sistema CRIMS. A través de esta interfaz, pueden elegir entre una amplia gama de parámetros y protocolos experimentales disponibles en la instalación para adaptarse a sus requisitos de muestra específicos. Los resultados junto con todos los parámetros experimentales se hacen disponibles para los usuarios en tiempo real a través de CRIMS. Todas las muestras recibidas se ensayo a través de un método específicamente desarrollado que permite estimar la probabilidad de cristalización de la muestra25,26,27. Sobre la base de los resultados de este ensayo, se hacen recomendaciones específicas a los usuarios con respecto a la temperatura óptima de incubación y los posibles experimentos de optimización de la muestra. Una vez que se configuran los experimentos de cristalización, los científicos pueden evaluar los resultados observando las imágenes de cristalización recopiladas en diferentes puntos de tiempo a través de la web. Cuando se identifican cristales adecuados para experimentos de difracción de rayos X, los científicos pueden usar una interfaz dedicada para establecer un plan de montaje de cristales que luego será ejecutado por el robot CrystalDirect.
La tecnología CrystalDirect se basa en el uso de una microplaca de cristalización por difusión de vapor modificada y un rayo láser para montar y crio-enfriar muestras de cristal en soportes compatibles con difracción cerrando la brecha de automatización existente entre la cristalización y la recolección de datos15,16,17. Brevemente, los cristales se cultivan en una placa de difusión de vapor modificada, la microplaca CrystalDirect. Una vez que aparecen los cristales, el robot de recolección CrystalDirect aplica automáticamente un rayo láser para extirpar una pieza de película que contiene el cristal, unirla a un pin de recopilación de datos de difracción estándar y crioenfriarla en una corriente de gas nitrógeno (ver Zander et al. 2016 y https://www.youtube.com/watch?v=Nk2jQ5s7Xx8). Esta tecnología tiene una serie de ventajas adicionales sobre los protocolos de montaje de cristal manuales o semiautomatizados. Por ejemplo, el tamaño y la forma de los cristales no es un problema, por lo que es igualmente fácil cosechar cristales grandes o microcristales, a menudo es posible evitar el uso de crioprotectores, debido a la forma especial en que opera la tecnología (ver referencia 17, Zander et al.), lo que hace que el análisis de difracción de rayos X sea mucho más sencillo. El rayo láser también se puede utilizar como una herramienta quirúrgica para seleccionar las mejores partes de una muestra cuando los cristales crecen en grupos o muestran un crecimiento epitaxial, por ejemplo. La tecnología CrystalDirect también se puede utilizar para experimentos de remojo automatizados17. Entrega de soluciones con moléculas pequeñas u otros productos químicos a cristales. Por lo tanto, permite admitir la detección de compuestos y fragmentos totalmente automatizada y a gran escala. Una vez que los cristales son cosechados y crioenfriados por el robot CrystalDirect, se transfieren a los discos SPINE o Unipuck que son compatibles con la mayoría de las líneas de haz de cristalografía macromolecular de sincronía en todo el mundo. El sistema puede cosechar hasta 400 pines (la capacidad del almacenamiento criogénico Dewar) de una manera totalmente autónoma. CRIMS se comunica con el robot cosechador durante el proceso y proporciona un seguimiento automatizado de las muestras de cristal (discos y pasadores). Los discos están marcados tanto con códigos de barras como con etiquetas RFID para facilitar la gestión demuestras21,28.
CRIMS proporciona una interfaz de programa de aplicación (API) que admite la comunicación automatizada con el sistema ISPyB que admite la gestión y el procesamiento de la recopilación de datos de rayos X en muchos sincrotrones en Europa y el mundo29. Una vez completada la recolección automatizada de cristales, los científicos pueden seleccionar muestras de cristal (pucks) y crear envíos de muestras para las líneas de haz de cristalografía macromolecular en los sincrotrones ESRF (Grenoble, Francia)7,8,9 o Petra III (Hamburgo, Alemania)18,19. CRIMS transfiere los datos correspondientes a las muestras de línea de haz seleccionadas al sistema de información de sincrotrón junto con los parámetros de recopilación de datos preseleccionados. Una vez que las muestras llegan a la línea de haz de sincrotrón seleccionada, la recopilación de datos de rayos X se lleva a cabo manualmente, a través de la operación de línea de haz remota o de manera totalmente automatizada (es decir, en la línea de haz MASSIF-1 del ESRF8 operada por el Grupo Conjunto de Biología Estructural conjunta EMBL ESRF (JSBG)). Después de la recopilación de datos, CRIMS recupera automáticamente información sobre los resultados de la recopilación de datos junto con los resultados iniciales del procesamiento de datos llevados a cabo por los sistemas de procesamiento de datos sincrotrón y la presenta al científico a través de una interfaz de usuario conveniente.
El laboratorio HTX aplica estas tuberías automatizadas para soportar tres aplicaciones diferentes, determinaciones rápidas de nuevas estructuras, caracterización rápida de complejos de proteínas-ligandos y cribado de compuestos y fragmentos a gran escala. A continuación describimos cómo usarlos y operarlos.