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Ao longo do último século, a cristalografia de raios X tem sido fundamental na elucidação e compreensão do paradigma estrutura-função das macromoléculas biológicas. Até o momento, continua a ser um dos métodos mais bem-sucedidos na elucidação de estruturas de resolução atômica de muitas proteínas exclusivamente diferentes que são cruciais para a compreensão fundamental da bioquímica celular, medicina e descoberta precoce de drogas 1,2. No entanto, a cristalização de proteínas permanece um gargalo no estudo de muitos alvos proteicos, particularmente proteínas de membrana e grandes complexos proteicos3. Consequentemente, a cristalização de proteínas é quase sempre considerada uma arte devido às abordagens trabalhosas de tentativa e erro empregadas 4,5,6.
Um agente precipitante é geralmente adicionado a uma solução proteica em alta concentração para formar um arranjo de rede bem ordenado, regular e repetitivo de moléculas de proteína, conhecidas como cristais. Sob condições favoráveis, como temperatura, pH, concentração e agente precipitante, uma solução supersaturada acaba se formando, seguida de nucleação e crescimento de cristais 7,8. Embora tenha havido muitos avanços nas configurações de testes de cristalização, predominantemente com o desenvolvimento de sistemas robóticos de alto rendimento e a disponibilidade de telas prontas de "matriz esparsa", as abordagens gerais para cristalização de proteínas permaneceram praticamente inalteradas ao longo dos anos. Técnicas experimentais comuns de cristalização de proteínas incluem difusão de vapor (drop suspenso e drop sentado)9, microbatch (sob óleo)10,11, difusão em interface livre (dispositivos microfluídicos)12 e diálise (usando botões e outras técnicas)13,14,15. Entretanto, outras configurações mais especializadas também existem, como as abordagens de mesofase para cristalização de proteínas de membrana16,17. Enquanto a maioria das estruturas de proteínas de raios X depositadas no Protein Data Bank foi resolvida até o momento por cristalização por métodos de difusão de vapor 6,18, outras abordagens, como a cristalização por diálise, parecem ser subutilizadas, provavelmente devido aos aspectos práticos relacionados à sua configuração experimental.
A cristalização por diálise depende simplesmente da difusão lenta de solutos (precipitantes, íons, aditivos e tampões) através de uma membrana semipermeável que simultaneamente impede a circulação de moléculas proteicas. Dessa forma, a solução proteica é lentamente colocada em equilíbrio, com o precipitante atingindo a concentração necessária para cristalizar. A cinética do sistema depende da temperatura, da concentração de precipitantes e do ponto de corte de peso molecular da membrana de celulose (MWCO)19. Até o momento, a configuração de cristalização mais popular por diálise tem sido o uso de botões de microdiálise feitos de folhas de acrílico transparentes. Estes são geralmente imersos em reservatórios (principalmente usando placas suspensas de difusão de vapor) contendo as soluções precipitantes de cristalização. No entanto, esse método de menor rendimento também requer montagem específica para selar a solução proteica dentro da membrana de diálise colocada sobre a câmara botão, como ilustrado na Figura 1. Além disso, bolhas de ar aprisionadas entre a membrana de diálise e a solução proteica são um problema frequente que prejudica o crescimento de cristais. Outra restrição do método são as necessidades de amostra, em que concentrações e volumes muito maiores são necessários em comparação com os métodos de difusão de vapor, para acomodar os botões de diálise. Portanto, a cristalização usando botões de microdiálise tem sido percebida como um método pouco atraente, especialmente para alvos difíceis como proteínas de membrana, cujos rendimentos de purificação são frustrantemente baixos. Recentemente, dispositivos microfluídicos foram desenvolvidos para facilitar a cristalização de proteínas por diálise15. Esses chips também foram projetados para ter alta transparência de raios-X com baixo fundo, permitindo que os chips sejam usados para coleta de dados in situ à temperatura ambiente, eliminando assim o inconveniente de colher e crioresfriamento de cristais. Apesar desses avanços, a abordagem ainda é muito baixa e cara.

Figura 1: Representação esquemática da cristalização por diálise utilizando botões de diálise. (A) Representação esquemática de um botão de diálise de cristalização. (B) A solução proteica é adicionada à câmara botão de microdiálise. (C) A membrana de diálise é presa ao botão de microdiálise com a ajuda de um anel de borracha (O-ring) aplicado através de um aplicador. (D) O botão de diálise está pronto para ser imerso no reservatório que contém a solução de cristalização (solução de diálise), como mostrado em (E). O frasco para injetáveis que contém o botão de diálise imerso deve ser selado para evitar a evaporação. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Aqui, um protocolo simples é apresentado para a triagem de condições de cristalização de proteínas e crescimento de cristais usando a placa de diálise de alto rendimento de 96 poços. Essas placas descartáveis são projetadas para serem usadas de forma semelhante às placas de cristalização por difusão de vapor (pipeta e vedação), como mostra a Figura 2. As placas podem acomodar até 3,2 μL de proteína e 350 μL de solução de diálise. Cada poço possui uma membrana de celulose regenerada separada para evitar a contaminação cruzada entre os poços. A configuração leva cerca de 10 min para ser concluída e não requer nenhum equipamento especializado além do que pode ser encontrado em todos os laboratórios de cristalização padrão. Quatro proteínas diferentes, incluindo duas proteínas de membrana, são usadas para demonstrar e validar esta abordagem como um método eficaz para cristalografia de proteínas de alto rendimento (HTP).

Figura 2: Fluxo de cristalização utilizando a placa de microdiálise. (A) Remoção do adesivo vermelho "cover film". (B) Dispensar as gotículas de proteína em cada um dos poços de gota. (C) Os poços são cobertos com a "película de cobertura" UV. (D) A placa é invertida para adicionar as soluções de diálise (ou tela de cristalização). (E) A placa é selada e incubada. (F,G) Inspeção microscópica das gotas. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
O uso dessa cristalização por protocolo dialítico foi demonstrado utilizando o tubo dialisador de 0,5 mL (Figura 3) para a produção em larga escala (centenas a milhares) de microcristais, adequado para métodos de coleta de dados de última geração, como cristalografia seriada em ambas as instalações XFEL 20,21,22,23,24 e síncrotrons25,26,27 , bem como para abordagens MicroED28,29,30.

Figura 3: Cristalização em larga escala da microdiálise com o tubo do dialisador. (A) Representação esquemática do tubo dialisador de 0,5 mL. (B) Vista lateral de um copo contendo a solução de cristalização e o rack de tubo flutuante segurando um tubo dialisador. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.