微量样品结构解析新方案|MicroED

作者:青云瑞晶来源:青云瑞晶

结构解析是药物生产和研究中的重要组成部分,但在药物发现初期,往往不能得到大量高纯度的样品进行单晶培养及结构解析。这在一定程度上减缓了整个药物发现的进程,科学家们可能要花费大量精力进行工艺条件优化才能得到大量高纯度的样品,最终实现结构解析的目标。紫杉醇是一种从红豆杉的树皮分离提纯的天然次生代谢产物,经过临床验证,对癌症发病率较高的卵巢癌、子宫癌和乳腺癌等有特效。临床和科研所需的紫杉醇主要是从红豆杉中直接提取,但是植物体中紫杉醇的含量相当低(即使是公认含量最高的短叶红豆杉树皮中也仅有0.069%),提取率低于0.01%虽然单晶X射线衍射是药物分子解析的最常见工具,但是单晶X射线衍射分析对晶体的尺寸和质量要求比较高,而培养出适合单晶X射线衍射分析的单晶需要足够的样品以及耗费大量的时间去摸索结晶条件(图1)。因此对于那些样品数量很少的药物,单晶X射线衍射很显然已经不适用了。


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1 单晶培养流程图


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2 MicroED的工作流程图[4]


与单晶X射线衍射相比,MicroED技术在紫杉醇的结构解析过程中具有无可比拟的优势。单晶X射线衍射需要培养出尺寸合适的单晶,这就需要足够的样品去摸索合适的结晶条件。以扩散法为例:将装有1mL紫杉醇饱和溶液的小瓶子置于含有20 mL不良溶剂的大瓶子中,大瓶子密封静置。根据良溶剂和不良溶剂的种类不同,同时进行80组的单晶培养实验,紫杉醇的样品量至少需要1600 mg左右。经过1周后,在多个溶剂体系中,通过偏光显微镜发现了微小的晶体,但它的尺寸很小,只有200 nm左右,难以满足单晶X射线衍射的需求。经过8周后,仍然没有获得能够进行单晶X射线衍射的晶体。


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1 部分单晶培养的样品信息


在这种情况下,需要更换其它的溶剂体系,重新培养单晶,需要更多数量的紫杉醇样品。对于MicroED技术而言,由于纳米尺寸的晶体已经能够满足测试需求,因此对紫杉醇样品的需求量大大降低,仅需100 mg样品即可满足晶体培养的需求。同时,对于单晶X射线无法测试的纳米晶体,可以利用MicroED技术收集其衍射数据,然后通过解析还原得到其晶体结构(图3)。总而言之,MicroED技术的优势在于:样品需求量少(一般单晶培养的十分之一样品即可),对晶体尺寸要求比较低,纳米晶体即可满足测试需求。

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3 紫杉醇的形貌及结构图


MicroED技术仅需少量样品~100mg培养出纳米晶体,从而获得高质量的衍射数据,大大降低了单晶培养过程对样品数量的需求,非常契合一些样品量很少的合成药物或天然产物,为合成药物和天然产物的结构解析提供了新的途径。


青云瑞晶是一家基于结构解析和AI药物筛选技术的高科技生物医药企业,为药物研发提供新药发现服务、结构生物学和药物固态研究服务。通过MicroED,青云瑞晶可以实现对100 nm晶体结构解析。


参考文献

1. Xu H, Lebrette H, Clabbers M T B, et al. Solving the first novel protein structure by 3D micro-crystal electron diffraction[J]. bioRxiv, 2019: 600387.

2. Xu H, Lebrette H, Clabbers M T B, et al. Solving a new R2lox protein structure by microcrystal electron diffraction[J]. Science advances, 2019, 5(8): eaax4621.

3. Xu H, Lebrette H, Yang T, et al. A rare lysozyme crystal form solved using highly redundant multiple electron diffraction datasets from micron-sized crystals[J]. Structure, 2018, 26(4): 667-675.

4. Nguyen C, Gonen T. Beyond protein structure determination with MicroED[J]. Current Opinion in Structural Biology, 2020, 64: 51-58.