生長(zhǎng)大蛋白質(zhì)晶體的能力是限制中子蛋白質(zhì)晶體學(xué)在結(jié)構(gòu)生物學(xué)中使用的最大瓶頸。蛋白質(zhì)晶體的體積必須至少為0.1mm 3。從理論上講，沒(méi)有特別的理由說(shuō)明為什么這種尺寸的晶體不能生長(zhǎng)。如果可以的話(huà)，中子蛋白質(zhì)晶體學(xué)可以提供關(guān)于氫原子位置的關(guān)鍵信息，這些信息與水合氫鍵和配體相互作用有關(guān)。這類(lèi)信息與生命科學(xué)中的學(xué)術(shù)和藥理學(xué)驅(qū)動(dòng)的研究直接相關(guān)。

因此，挑戰(zhàn)在于以可重復(fù)，省時(shí)，省力的方式實(shí)現(xiàn)大晶體生長(zhǎng)。如果將來(lái)中子晶體學(xué)家能夠在適當(dāng)?shù)念A(yù)表征工作之后將其解決方案提交到自動(dòng)化或半自動(dòng)化平臺(tái)，以便以高度系統(tǒng)的方式探索大范圍的條件并允許其中，這將是理想的。用戶(hù)通過(guò)遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)監(jiān)控增長(zhǎng)。

位于法國(guó)格勒諾布爾的Laue-Langevin(ILL)研究所的Ashley Jordan一直在研究?jī)煞N新的晶體生長(zhǎng)方法：開(kāi)發(fā)一個(gè)可以在未來(lái)實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模自動(dòng)化方法的模塊(任務(wù)1)，以及流動(dòng)結(jié)晶系統(tǒng)(任務(wù)2)。

任務(wù)1：用于自動(dòng)化大晶體生長(zhǎng)探索的模塊

該SINE2020項(xiàng)目專(zhuān)注于開(kāi)發(fā)溫度可控的多井模塊，可以?xún)?yōu)化晶體生長(zhǎng)。設(shè)計(jì)該模塊的想法是擴(kuò)大該方法，以便多個(gè)結(jié)晶井具有單獨(dú)(可編程)溫度控制可用于探索廣泛的生長(zhǎng)條件。制作原型模塊，其由包含6×4個(gè)孔的定制板設(shè)計(jì)組成，其中可以進(jìn)行單獨(dú)的結(jié)晶實(shí)驗(yàn)。每個(gè)井可以適應(yīng)不同的條件，每個(gè)都具有獨(dú)立的溫度控制。使用具有溫度反饋系統(tǒng)的Peltier加熱元件加熱孔，該系統(tǒng)允許每個(gè)孔在4℃至60℃的溫度范圍內(nèi)加熱和冷卻，精度為0.1度。該設(shè)置旨在允許監(jiān)測(cè)和記錄照相的晶體生長(zhǎng)。

Ashley Jordan，Ryo Mizuta和John Allibon(開(kāi)發(fā)軟件)已經(jīng)構(gòu)建并測(cè)試了原型系統(tǒng)。使用胰蛋白酶和紅素氧還原進(jìn)行結(jié)晶試驗(yàn)。

在SINE2020之后，我們的想法是讓這些模塊“即插即用”，以便可以使用更加擴(kuò)展的“機(jī)器人”方法。用戶(hù)在完成時(shí)可以移除Crystallogenesis運(yùn)行，并且使用另一個(gè)模塊安裝其他運(yùn)行 - 該模塊將是更大陣列的工作單元 - 所有這些都是攝像機(jī)可視化并向用戶(hù)門(mén)戶(hù)提供延時(shí)信息。

任務(wù)2：流動(dòng)結(jié)晶

追求大晶體生長(zhǎng)的另一種方法是流動(dòng)結(jié)晶系統(tǒng)的想法。該想法是通過(guò)向結(jié)晶環(huán)境提供恒定的新鮮蛋白質(zhì)原料供應(yīng)，在其生長(zhǎng)期間始終保持晶體周?chē)姆€(wěn)態(tài)批量條件。這將始終保持最佳的溶液條件，并有助于最大限度地減少雜質(zhì)在晶體表面積聚 - 這些雜質(zhì)可能會(huì)阻礙晶體生長(zhǎng)。

選擇Dolomite Mitos P-Pump來(lái)??維持調(diào)節(jié)系統(tǒng)所需的極低流速(70-1500 nl min-1)?？梢允褂?-D打印機(jī)設(shè)計(jì)和制造可以連接到泵的合適的結(jié)晶室。這個(gè)室形成了一個(gè)密封的環(huán)境，一旦生長(zhǎng)，就可以隨時(shí)取用晶體。來(lái)自不列顛哥倫比亞大學(xué)和麥克馬斯特大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)出了可能成為未來(lái)骨植入物的材料：一種通風(fēng)，泡沫狀物質(zhì)，可以注入體內(nèi)并為新骨骼的生長(zhǎng)提供支架。

它是通過(guò)處理來(lái)自植物纖維素的納米晶體制成的，以便它們連接起來(lái)形成堅(jiān)固但輕質(zhì)的海綿 - 從技術(shù)上講，氣凝膠 - 可根據(jù)需要壓縮或膨脹以完全填充骨腔。

“大多數(shù)骨移植或植入物都是由堅(jiān)硬的脆性陶瓷制成，并不總是符合孔的形狀，這些間隙會(huì)導(dǎo)致骨骼生長(zhǎng)不良和植入失敗，”研究作者Daniel Osorio博士說(shuō)。 .D。麥克馬斯特化學(xué)工程專(zhuān)業(yè)的學(xué)生。“我們創(chuàng)造了這種纖維素納米晶體氣凝膠作為這些合成材料的更有效替代品。”

對(duì)于他們的研究，該團(tuán)隊(duì)與兩組大鼠一起工作，第一組接受氣凝膠植入，第二組接受沒(méi)有。結(jié)果顯示，與對(duì)照組相比，植入組在三周內(nèi)骨骼生長(zhǎng)增加33%，12周時(shí)骨骼增長(zhǎng)50%。

“這些研究結(jié)果首次表明，纖維素納米晶體氣凝膠可以支持新的骨骼生長(zhǎng)，”研究報(bào)告的共同作者，木材科學(xué)與化學(xué)和生物工程教授Emily Cranston說(shuō)道，他擔(dān)任總統(tǒng)卓越主席在UBC的森林生物產(chǎn)品。她補(bǔ)充說(shuō)，當(dāng)骨骼開(kāi)始愈合時(shí)，植入物應(yīng)分解成體內(nèi)的無(wú)毒成分。

該研究的共同作者凱瑟琳·格蘭菲爾德(Kathryn Grandfield)是麥克馬斯特的材料科學(xué)與工程和生物醫(yī)學(xué)工程教授，負(fù)責(zé)監(jiān)督這項(xiàng)工作，該創(chuàng)新可能會(huì)填補(bǔ)北美20億美元骨骸市場(chǎng)的空白。

研究報(bào)告的共同作者，UBC的木材科學(xué)與化學(xué)與生物工程教授Emily Cranston來(lái)自：UBC的Clare Kiernan

“我們可以看到這種氣凝膠被用于許多應(yīng)用，包括牙科植入物和脊柱和關(guān)節(jié)置換手術(shù)，”Grandfield說(shuō)。“它將是經(jīng)濟(jì)的，因?yàn)樵霞{米纖維素已經(jīng)以商業(yè)數(shù)量生產(chǎn)。”

研究人員表示，氣凝膠從實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入手術(shù)室需要一段時(shí)間。

“今年夏天，我們將研究導(dǎo)致骨骼生長(zhǎng)的骨骼和植入物之間的機(jī)制，”Grandfield說(shuō)。“我們還將研究植入物如何使用先進(jìn)的顯微鏡降解。之后，在準(zhǔn)備進(jìn)行臨床試驗(yàn)之前，還需要進(jìn)行更多的生物學(xué)檢測(cè)。”

“交聯(lián)纖維素納米晶氣凝膠作為活骨組織支架”于上周在Acta Biomaterialia上發(fā)表。