Methodenartikel

iNEXT-Discovery en Instruct-ERIC: Integratie van geavanceerde diensten voor translationeel onderzoek in structurele biologie

DOI:

10.3791/63435

⸱

16 november 2021

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Division of Biochemistry and Oncode Institute, The Netherlands Cancer Institute, Amsterdam, 2CERM/CIRMMP, University of Florence, 3Instruct-ERIC, Oxford University, 4MISTRAL beamline, Alba Light Source, 5Center for Biomolecular Magnetic Resonance (BMRZ), Goethe University Frankfurt, 6Division of Structural Biology, Oxford University, 7Macromolecular Crystallographyy, Helmholtz-Zentrum Berlin

In dit artikel

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

BESPREKTE ARTIKELEN:

Ahmad, M. U. D. et al. Nano-differential scanning fluorimetrie voor screening in fragment-gebaseerde lead discovery. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (171), e62469 (2021).

Barbieri, L., Luchinat, E. Monitoring van eiwit-ligandinteracties in menselijke cellen door real-time kwantitatieve in-cel NMR met behulp van een bioreactor met hoge celdichtheid. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (169), e62323 (2021).

Berg, H. et al. NMR-gebaseerd fragmentscreening in een minimale monster maar maximale automatiseringsmodus. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (172), e62262 (2021).

Beriashvili, D., Schellevis, R. D., Napoli, F., Weingarth, M., Baldus, M. Hoge resolutie studies van eiwitten in natuurlijke membranen door solid-state NMR. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (169), e62197 (2021).

Cornaciu, I. et al. De geautomatiseerde kristallografiepijplijnen bij de EMBL HTX-faciliteit in Grenoble. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (172), e62200 (2021).

Crawshaw, A. et al. Een monstervoorbereidingspijplijn voor microkristallen op de VMXm-bundel. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (172), e62306 (2021).

Douangamath, A. et al. Efficiënt fragmentscreening bereiken bij de XChem-faciliteit bij diamond light source. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (171), e62414 (2021).

Groen, J. et al. Een 3D cartografische beschrijving van de cel door Cryo Soft X-ray tomografie. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (169), e62190 (2021).

Horrell, S. et al. Gefixeerde doelwit seriële dataverzameling bij diamond light source. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (168), e62491 (2021).

Jiménez-Moreno, A. et al. Cryo-EM en single-particle analyse met scipion. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (171), e62261 (2021).

Moravcová, J., Pinkas, M., Holbová, R., Nováček, J. Voorbereiding en CryoFIB micromachining van Saccharomyces cerevisiae voor CryoElectron tomografie. Journal of Visualized Experiments: JoVE. e62351 (2021).

Vyas, N. et al. Cryo-gestructureerde verlichting microscopische dataverzameling van kryogenetisch bewaarde cellen. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (171), e62274 (2021).

Weis, F., Hagen, W. J. H., Schorb, M., Mattei, S. Strategieën voor optimalisatie van gegevensverwerving van cryogene elektronentomografie. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (169), e62383 (2021).

White, J. B. R. et al. Enkel deeltje cryo-elektronenmicroscopie: Van monster tot structuur. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (171), e62415 (2021).

Wollenhaupt, J. et al. Workflow en tools voor kristallografisch fragmentscreening bij het Helmholtz-Zentrum Berlin. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (169), e62208 (2021).

Redactioneel

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Het veld van de structurele biologie heeft zich ontwikkeld tot een krachtig systeem om biologie te begrijpen door middel van de atomaire details van biomoleculaire structuren, waardoor ons begrip van biochemische routes en de moleculaire basis van ziekten wordt verrijkt en een onmisbaar hulpmiddel voor translationeel onderzoek wordt geboden.

In de loop der jaren is structurele biologie veel verder gegaan dan het leveren van statische structuren, om ook te rapporteren over moleculaire interacties, zowel in oplossing als in cellen, en tijdschalen en dynamica te onderzoeken. Informatie kan worden verkregen om processen op verschillende schaalniveaus te verklaren, namelijk, van atomen en individuele moleculen tot hele virusdeeltjes en cellen. Verschillende technologieën bieden een synergetische reeks experimentele benaderingen, waaronder verstrooiingsmethoden op basis van röntgenstralen, neutronen of elektronen, bijv. röntgenkristallografie (MX) of kleine-hoek röntgenverstrooiing (SAXS); vaste staat en oplossingskernspinresonantie (NMR); en reconstructie van enkele deeltjes door cryo-elektronenmicroscopie (cryo-EM). Methoden zoals cryo-EM tomografie, cryo-soft röntgentomografie en in-cell NMR voegen toe aan deze arsenal van benaderingen om macromoleculaire systemen te bestuderen, vooral in combinatie met andere beeldvormingstechnieken. Samen met aanvullende biofysische methoden die complementaire informatie bieden over affiniteiten en tijdschalen van moleculaire interactie, biedt integratieve structurele biologie tegenwoordig een formidabel pakket voor het begrijpen van het leven en het ontwikkelen van medicijnen, biologica (antilichamen, nanolichamen, vaccins), biomaterialen en andere biologische agentia, zoals enzymen die kunnen worden gebruikt om plastic af te breken en het milieu te helpen.

De Europese Commissie (EC) erkende al vroeg de voordelen die onderzoek naar structurele biologie voor de samenleving heeft, en sinds de jaren 1980 heeft Europa sterk geïnvesteerd in het gratis beschikbaar stellen van dure structurele biologieapparatuur aan de grotere wetenschappelijke gemeenschap. Deze democratisering van de toegang tot faciliteiten ter waarde van miljoenen euro's was een drijvende kracht en een hoeksteen voor de internationale ontwikkeling van het gebied van de structurele biologie. Dit plaatste Europa aan de voorhoede van het veld, waardoor een sterke industriële sector mogelijk werd en bijgedragen werd aan lokale economieën.

De EC koestert een lange en indrukwekkende traditie van externe onderzoekers’ toegang en training in structurele biologie technologieën. Na het succesvolle iNEXT-programma (Infrastructure for NMR, EM and X-rays for Translational research) dat tot eind 2019 gratis toegang tot structurele biologie tot hoogwaardige faciliteiten en alle Europese onderzoekers toestond, begon het Horizon2020-project iNEXT-Discovery in februari 2020 voor een periode van vier jaar met volledige financiering van de toegang tot infrastructuren voor structurele biologie. Parallel daaraan is Instruct-ERIC een baken van het Europees Strategieforum voor Onderzoeksinfrastructuren, dat een duurzame bolwerk vormt in de structurele biologie voor de Europese en internationale wetenschappelijke gemeenschappen. Samen streven zij ernaar levenswetenschappers en anderen bij structureel biologisch onderzoek te betrekken, en daarvoor bieden zij toegang tot enkele van de beste expertise, technologieën en faciliteiten voor structurele biologie ter wereld, aan onderzoekers uit de academische wereld en de industrie. Samen met aanvullende partners organiseren zij ook workshops en praktische trainingen.

Vanwege de Covid19-pandemie is het reizen naar iNEXT-Discovery en Instruct-ERIC-onderzoeksfaciliteiten sterk belemmerd, wat in wezen praktische trainingsmogelijkheden heeft verboden. Om dit gedeeltelijk te compenseren, hebben zowel iNEXT-Discovery als Instruct-ERIC webinarserieën geregeld (https://inext-discovery.eu/events/what-can-inext-discovery-do-for-us, https://instruct-eric.eu/content/instructeric-webinar-series-structure-meets-function), evenals deze speciale Methods-uitgave van het Journal of Visualized Experiments. Hier vindt u gedetailleerde beschrijvingen niet alleen voor verschillende van onze mainstream toegangsprocedures, maar ook voor gespecialiseerde routines die in ontwikkeling zijn in het gebied van integratieve structurele biologie. Hoewel onze methoden in deze uitgave in detail worden beschreven, vereisen sommige expertise en apparatuur die moeilijk lokaal te vestigen zijn. De Instruct-ERIC en iNEXT-Discovery-faciliteiten zijn beschikbaar om deze methoden te leveren, inclusief de productie van de biomoleculen die nodig zijn voor structurele studies, met de hulp en supervisie van hoog gekwalificeerde lokale medewerkers.

Verbeterde methoden voor het bepalen van macromoleculaire structuren
Gedurende het laatste decennium ontwikkelde cryo-EM zich tot een zeer populaire technologie voor het bepalen van macromoleculaire complexe structuren. Het team van de Universiteit van Leeds (UK) geeft een overzicht van alle stappen die betrokken zijn bij enkele-deeltje EM-analyse, met de nadruk op variabelen die tijdens het workflow en het oplossen van veelvoorkomende problemen kunnen worden geoptimaliseerd1. Met online microscoopbediening door externe gebruikers die standaard wordt, zijn protocollen voor efficiënte externe bediening en beeldvorming vereist. Bij enkele-deeltje analyse worden vitriefde monsters gefotografeerd om films te produceren die deeltjes in willekeurige oriëntaties tonen. Een beeldverwerkingsworkflow identificeert de parameters voor het reconstrueren van het onderzochte specimen. De software Scipion van CSIC (ES) biedt alle gereedschappen om deze workflow te creëren, ook toestaat eenvoudige traceerbaarheid van de resultaten2.

De verzameling van röntgendiffractiegegevens op zeer kleine kristallijne monsters biedt grote onderzoekskansen evenals technische uitdagingen. Het Diamond (UK) team presenteert het gebruik van cryo-EM hulpmiddelen om honderden microkristallen op een enkele raster met minimale omringende vloeistof op een laag-ruis ondersteuning voor te bereiden, voordat gegevens worden verzameld in een speciale beamline-omgeving die een vacuüm in de röntgenstraal omvat vóór en na het

Openbaarmakingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Deze JoVE Methods Collection uitgave wordt gefinancierd door iNEXT-Discovery, projectnummer 871037, gefinancierd door het Horizon 2020 programma van de Europese Commissie.

Referenties

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. White, J. B. R., et al. Single particle cryo-electron microscopy: From sample to structure. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (171), e62415(2021).
  2. Jiménez-Moreno, A., et al. Cryo-EM and single-particle analysis with scipion. Journal of. Visualized Experiments: JoVE. (171), e62261(2021).
  3. Crawshaw, A., et al. A sample preparation pipeline for microcrystals at the VMXmbeamline. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (172), e62306(2021).
  4. Horrell, S., et al. Fixed target serial data collection at diamond light source. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (168), e62491(2021).
  5. Douangamath, A., et al. Achieving efficient fragment screening at XChemfacility at diamond light source. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (171), e62414(2021).
  6. Wollenhaupt, J., et al. Workflow and tools for crystallographic fragment screening at the helmholtz-zentrum Berlin. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (169), e62208(2021).
  7. Cornaciu, I., et al. The automated crystallography pipelines at the EMBL HTX facility in grenoble. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (172), e62200(2021).
  8. Berg, H., et al. NMR-based fragment screening in a minimum sample but maximum automation mode. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (172), e62262(2021).
  9. Ahmad, M. U. D., et al. Nano-differential scanning fluorimetry for screening in fragment-based lead discovery. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (171), e62469(2021).
  10. Moravcová, J., Pinkas, M., Holbová, R., Nováček, J. Preparation and CryoFIB micromachining of Saccharomyces cerevisiae for CryoElectrontomography. Journal of Visualized Experiments: JoVE. , e62351(2021).
  11. Weis, F., Hagen, W. J. H., Schorb, M., Mattei, S. Strategies for optimization of cryogenic electron tomography data acquisition. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (169), e62383(2021).
  12. Groen, J., et al. A 3D cartographic description of the cell by cryosoft X-ray tomography. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (169), e62190(2021).
  13. Vyas, N., et al. Cryo-structured illumination microscopic data collection from cryogenically preserved cells. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (171), e62274(2021).
  14. Beriashvili, D., Schellevis, R. D., Napoli, F., Weingarth, M., Baldus, M. High-resolution studies of proteins in natural membranes by solid-state NMR. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (169), e62197(2021).
  15. Barbieri, L., Luchinat, E. Monitoring protein-ligand interactions in human cells by real-time quantitative in-cell NMR using a high cell density bioreactor. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (169), e62323(2021).

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Nano differential Scanning FluorimetryProtein ligand InteractionsIn cell NMRFragment based Lead DiscoverySolid state NMRAutomated CrystallographyCryo EMSingle particle AnalysisCryo electron TomographyData Acquisition StrategiesHigh resolution Protein StudiesBioreactor Technology

Gerelateerde artikelen