Mikroelektronenbeugung von Proteinen und ihren Komplexen

Zusammenfassung:
Hintergrund: Die Mikro-Elektronenbeugung (MicroED) ist eine aufkommende Technik, die die Bestimmung von Proteinstrukturen aus Mikrokristallen ermöglicht und die Grenzen der konventionellen Röntgenkristallographie überwindet. Obwohl MicroED bereits erfolgreich eingesetzt wurde, ist ihre Anwendbarkeit durch die Größe, Symmetrie und Ausrichtung von Proteinkristallen eingeschränkt. Darüber hinaus hat die Kryo-Elektronenmikroskopie bei der Erforschung von Proteinkomplexen in verschiedenen biologischen Systemen, wie dem Photosystem II (PSII) in Pflanzen und zellulären Komplexen, eine wichtige Rolle gespielt. Diese Zusammenfassung fasst die Erkenntnisse aus diesen Veröffentlichungen zusammen, um die Bedeutung dieser Methoden in der Proteinforschung zu verdeutlichen.
Vorläufige Arbeit: In jüngsten Studien wurde die MicroED zur Bestimmung der Struktur neuartiger Proteinkomplexe eingesetzt. Darüber hinaus wurde die Kryo-Elektronenmikroskopie eingesetzt, um den PSII-Superkomplex in Pflanzen zu untersuchen. Dabei wurden einzigartige strukturelle Merkmale und das Vorhandensein von α-Tocopherol/α-Tocopherolchinon an einer entscheidenden Stelle innerhalb des Komplexes entdeckt. Die Kryo-EM hat auch die Visualisierung verschiedener biomolekularer Komplexe in einem eukaryotischen Zellextrakt ermöglicht und damit umfassende strukturelle Einblicke in mehrere chemisch unterschiedliche Biomakromoleküle ermöglicht.
Zielsetzung: Diese Forschung zielt darauf ab, MicroED zu nutzen, um die mit der Kristallgröße, -symmetrie und -ausrichtung verbundenen Einschränkungen zu überwinden, wobei ein besonderer Schwerpunkt auf Proteinkomplexen liegt. Außerdem soll die Struktur von Photosystem-II-Superkomplexen in nicht blühenden Pflanzen erforscht werden, um ihre einzigartigen Eigenschaften und funktionellen Auswirkungen zu beleuchten. Die Untersuchung zielt auch darauf ab, die Struktur und Funktion zellulärer Komplexe zu entschlüsseln, um einen ganzheitlichen Blick auf das Innenleben eukaryontischer Zellen zu erhalten.
Methoden: Die Studie verwendet MicroED, um die Struktur eines neuartigen Komplexes zwischen einer regulatorischen Enzymdomäne und einem intrinsisch ungeordneten Peptid zu bestimmen. Dabei wird ein effektiver Arbeitsablauf zur Gewinnung hochauflösender Elektronenbeugungsdaten aus nadelartigen Proteinkristallen vorgestellt. Die Kryo-Elektronenmikroskopie wird eingesetzt, um den PSII-Superkomplex in nicht blühenden Pflanzen und andere biomolekulare Komplexe aus eukaryotischen Zellextrakten zu untersuchen. Diese Methoden werden durch biochemische, biophysikalische und bioinformatische Ansätze ergänzt, um die Zusammensetzung, Architektur und Funktion von Biomakromolekülen in zellulären Komplexen zu klären.
Auswirkungen: Die Forschung hat weitreichende Auswirkungen und bringt das Feld der Strukturbiologie voran, indem sie die Charakterisierung von Proteinstrukturen, Proteinkomplexen in Pflanzen und zellulären Komplexen auf ganzheitliche Weise ermöglicht. Dieses Wissen ist entscheidend für das Verständnis zellulärer Funktionen, für Fortschritte in der Medizin und für biotechnologische Innovationen.
Ausrichtung auf die Ziele für nachhaltige Entwicklung: Die Forschung steht im Einklang mit mehreren Zielen für nachhaltige Entwicklung (Sustainable Development Goals, SDGs). Sie trägt zu SDG 3 (Gesundheit und Wohlbefinden) bei, indem sie unser Verständnis der strukturellen Feinheiten von Proteinen verbessert, was zur Entwicklung neuartiger medizinischer Interventionen führen könnte. Außerdem steht die Studie im Einklang mit SDG 7 (Erschwingliche und saubere Energie), da sie die Photosynthese in Pflanzen untersucht, die einen wichtigen Beitrag zu erneuerbaren Energiequellen leistet. Darüber hinaus unterstützt die Forschung das SDG 15 (Leben auf dem Land), indem sie unser Verständnis der Pflanzenbiologie vertieft, die für eine nachhaltige Landwirtschaft und die Erhaltung der Artenvielfalt unerlässlich ist. Und schließlich unterstützt die Studie durch den Fortschritt im Bereich der Strukturbiologie indirekt das SDG 9 (Industrie, Innovation und Infrastruktur), indem sie wissenschaftliche Innovationen und Technologien fördert. Die Ausrichtung auf SDG 4 (Qualität der Bildung) wird durch den indirekten Beitrag des Forschungsprojekts zur Wissensgenerierung, zur Förderung der wissenschaftlichen Kompetenz und zur Inspiration zukünftiger Forscher deutlich.

Background: Micro-electron diffraction (MicroED) is an emerging technique that enables the determination of protein structures from microcrystals and overcomes the limitations of conventional X-ray crystallography. Although MicroED has been used successfully, its applicability is limited by the size, symmetry and orientation of protein crystals. In addition, cryo-electron microscopy has played an important role in the study of protein complexes in various biological systems, such as photosystem II (PSII) in plants and cellular complexes. This summary reports the findings from these publications to illustrate the importance of these methods in protein research.
Preliminary work: In recent studies, MicroED has been used to determine the structure of novel protein complexes. In addition, cryo-electron microscopy was used to study the PSII supercomplex in plants. This revealed unique structural features and the presence of α-tocopherol/α-tocopherol quinone at a crucial site within the complex. Cryo-EM has also enabled the visualisation of different biomolecular complexes in a eukaryotic cell extract, providing comprehensive structural insights into several chemically distinct biomacromolecules.
Objective: This research aims to use MicroED to overcome the limitations associated with crystal size, symmetry and orientation, with a particular focus on protein complexes. In addition, the structure of photosystem II supercomplexes in non-flowering plants will be explored to shed light on their unique properties and functional implications. The study also aims to decipher the structure and function of cellular complexes to provide a holistic view of the inner workings of eukaryotic cells.
Methods: This study uses MicroED to determine the structure of a novel complex between a regulatory enzyme domain and an intrinsically disordered peptide. An effective workflow for obtaining high-resolution electron diffraction data from needle-like protein crystals is presented. Cryo-electron microscopy is used to study the PSII supercomplex in non-flowering plants and other biomolecular complexes from eukaryotic cell extracts. These methods are complemented by biochemical, biophysical and bioinformatics approaches to elucidate the composition, architecture and function of biomacromolecules in cellular complexes.
Impact: The research has far-reaching implications and advances the field of structural biology by enabling the characterisation of protein structures, protein complexes in plants and cellular complexes in a holistic way. This knowledge is crucial for understanding cellular functions, for advances in medicine and for biotechnological innovations.
Alignment with Sustainable Development Goals : The research is aligned with several Sustainable Development Goals (SDGs). It contributes to SDG 3 (Health and Well-being) by improving our understanding of the structural intricacies of proteins, which could lead to the development of novel medical interventions. It also aligns with SDG 7 (Affordable and clean energy) by studying photosynthesis in plants, which is an important contributor to renewable energy sources. In addition, the research supports SDG 15 (Life on the Land) by deepening our understanding of plant biology, which is important for sustainable agriculture and biodiversity conservation. Finally, by advancing structural biology, the study indirectly supports SDG 9 (Industry, innovation and infrastructure) by promoting scientific innovation and technology. The alignment with SDG 4 (quality of education) is evident through the indirect contribution of the research project to generating knowledge, promoting scientific literacy and inspiring future researchers.