A automação foi introduzida em todas as etapas do processo experimental de cristalografia macromolecular, desde a cristalização até a coleta e processamento de dados de difração1,2,3,4,5,6,7,8,9, incluindo uma série de tecnologias para montagem amostral10,11,12 ,13,14,15,16,17. Isso não só acelerou o ritmo em que as estruturas cristalográficas são obtidas, mas contribuiu para simplificar aplicações como o projeto de medicamentos guiados por estrutura18,19,20,21,22,23,24. Neste manuscrito descrevemos alguns dos aspectos dos gasodutos de cristalização automatizados disponíveis no laboratório HTX em Grenoble, bem como as tecnologias subjacentes.
O laboratório HTX da EMBL Grenoble é uma das maiores instalações acadêmicas para triagem de cristalização na Europa. É co-localizada no campus europeu de Fóton e Nêutron (EPN) em conjunto com o European Synchrotron Radiation Facility (ESRF), que produz alguns dos mais brilhantes raios-X do mundo e o Institut Laue Langevin (III), que fornece feixes de nêutrons de alto fluxo. Desde o início das operações, em 2003, o laboratório HTX forneceu serviços para mais de 800 cientistas e processa mais de 1000 amostras por ano. O laboratório HTX tem um forte foco no desenvolvimento de novos métodos na cristalografia macromolecular, incluindo métodos para avaliação de amostras e controle de qualidade25,26 e a tecnologia CrystalDirect, permitindo a montagem e processamento de cristais totalmente automatizados15,16,17. O laboratório HTX também desenvolveu o Crystallographic Information Management System (CRIMS), um sistema de informações laboratoriais baseado na Web que fornece comunicação automatizada entre instalações de cristalização e coleta de dados síncrotrons, permitindo o fluxo de informações ininterruptas durante todo o ciclo amostral, desde proteína pura até dados de difração. Através da combinação das capacidades da instalação HTX, da tecnologia CrystalDirect e do software CRIMS, desenvolvemos dutos de proteína totalmente automatizados integrando triagem de cristalização, otimização de cristais, processamento automatizado de coleta de cristais e coleta de dados de criocooling e raios-X em múltiplos síncrotrons em um fluxo de trabalho único e contínuo que pode ser operado remotamente através de um navegador web. Esses gasodutos podem ser aplicados para apoiar a rápida determinação de novas estruturas, a caracterização de complexos de ligantes proteicos e triagem composta e fragmentada em larga escala através da cristalografia de raios-X.
O laboratório HTX é equipado com um robô de cristalização não volume (incluindo um módulo LCP que permite a cristalização de proteínas solúveis e membranas), fazendas de cristal (a 5 °C e 20 °C), duas estações robóticas de manuseio líquido para preparar telas de cristalização e duas colheitadeiras de cristal cristalizadas automatizadas com capacidade para produzir e armazenar até 400 pinos de amostra congelados por ciclo de operação. Os cientistas enviam suas amostras para a instalação pelo express courier, que são então processados por técnicos dedicados no laboratório HTX. Os cientistas podem projetar remotamente experimentos de triagem e otimização de cristalização através de uma interface web fornecida pelo sistema CRIMS. Através desta interface, eles podem escolher entre uma ampla gama de parâmetros e protocolos experimentais disponíveis na instalação para se adequar aos seus requisitos específicos de amostra. Os resultados em conjunto com todos os parâmetros experimentais são disponibilizados aos usuários em tempo real através do CRIMS. Todas as amostras recebidas são avaliadas através de um método especificamente desenvolvido que permite estimar a probabilidade de cristalização da amostra25,26,27. Com base nos resultados deste ensaio, recomendações específicas são feitas aos usuários sobre a temperatura ideal de incubação e possíveis experimentos de otimização da amostra. Uma vez que os experimentos de cristalização são configurados, o cientista pode avaliar os resultados olhando para imagens de cristalização coletadas em diferentes pontos de tempo através da web. Quando cristais adequados para experimentos de difração de raios-X são identificados, os cientistas podem usar uma interface dedicada para estabelecer um plano de montagem de cristal que será então executado pelo robô CrystalDirect.
A tecnologia CrystalDirect baseia-se no uso de uma microplacamento de cristalização de vapor modificado e um raio laser para montar e amostras de cristal crio-cool em suportes compatíveis com difração fechando a lacuna de automação existente entre cristalização e coleta de dados15,16,17. Resumidamente, os cristais são cultivados em uma placa de difusão de vapor modificada, a microplacão CrystalDirect. Uma vez que os cristais aparecem, o robô de colheita CrystalDirect aplica automaticamente um raio laser para extirpar uma peça de filme contendo o cristal, anexá-lo a um pino padrão de coleta de dados de difração e resfriá-lo em um fluxo de gás nitrogênio (ver Zander et al. 2016 e https://www.youtube.com/watch?v=Nk2jQ5s7Xx8 ). Esta tecnologia tem uma série de vantagens adicionais sobre protocolos manuais ou semi-automatizados de montagem de cristais. Por exemplo, o tamanho e a forma dos cristais não é um problema, tornando igualmente fácil a colheita de cristais grandes ou microcristais, muitas vezes é possível evitar o uso de crio-protetores, devido à maneira especial pela qual a tecnologia opera (ver referência 17, Zander et al.), tornando a análise de difração de raios-X muito mais simples. O raio laser também pode ser usado como uma ferramenta cirúrgica para selecionar as melhores partes de uma amostra quando cristais crescem em clusters ou mostram crescimento epitaxial, por exemplo. A tecnologia CrystalDirect também pode ser usada para experimentos automatizados de imersão17. Entrega de soluções com pequenas moléculas ou outros produtos químicos para cristais. Assim, permite suportar a triagem de compostos e fragmentos totalmente automatizados, em larga escala. Uma vez que os cristais são colhidos e criocoolados pelo robô CrystalDirect, eles são transferidos para discos SPINE ou Unipuck que são compatíveis com a maioria dos feixes de cristalografia macromolecular sincronia em todo o mundo. O sistema pode colher até 400 pinos (a capacidade do armazenamento criogênico Dewar) de forma totalmente autônoma. O CRIMS se comunica com o robô colheitadeira durante o processo e fornece rastreamento automatizado de amostras de cristal (discos e pinos). Os discos são marcados com códigos de barras e tags RFID para facilitar o gerenciamento de amostras21,28.
O CRIMS fornece uma interface de programa de aplicativos (API) que suporta comunicação automatizada com o sistema ISPyB que suporta o gerenciamento e processamento de coleta de dados de raios-X em muitos síncrotrons na Europa e no mundo29. Após a coleta automatizada de cristais ser concluída, os cientistas podem selecionar amostras de cristal (discos) e criar remessas de amostras para as linhas de cristalografia macromolecular no ESRF (Grenoble, França)7,8,9 ou Petra III síncrotrons (Hamburgo, Alemanha)18,19. O CRIMS transfere os dados correspondentes às amostras de linha de feixe selecionadas para o sistema de informações síncrotrons, juntamente com parâmetros de coleta de dados pré-selecionados. Uma vez que as amostras chegam à linha de feixe síncrotron selecionada, a coleta de dados de raios-X é realizada manualmente, através da operação de linha de feixe remota ou de forma totalmente automatizada (ou seja, na linha de feixe MASSIF-1 do ESRF8 operada pelo Grupo conjunto de Biologia Estrutural EmBL ESRF (JSBG)). Após a coleta de dados, o CRIMS recupera automaticamente informações sobre os resultados da coleta de dados, juntamente com os resultados iniciais de processamento de dados realizados pelos sistemas de processamento de dados síncrotrons e os apresenta ao cientista através de uma interface de usuário conveniente.
O laboratório HTX aplica esses gasodutos automatizados para suportar três aplicações diferentes, determinações rápidas de novas estruturas, caracterização rápida de complexos de ligantes proteicos e triagem composta e fragmentada em larga escala. Abaixo descrevemos como usá-los e operá-los.