Space Station Crew cultiveert kristallen voor medicijnontwikkeling

Anonim

Kristalvorming binnen een lus van 50 millimeter, gemaakt op Expeditie 6. Kristalgroeionderzoeken hebben plaatsgevonden op het station sinds voordat mensen daar leefden vanwege de unieke omgeving die microzwaartekracht biedt.

Paolo Nespoli, astronaut van het Europese ruimtevaartagentschap, werkt tijdens de Expeditie 26 in de module Lichtmicroscopie. Experimenten van elk onderzoek zullen binnen de LMM plaatsvinden. De LMM is een zeer flexibele, state-of-the-art lichtbeeldmicroscoop en wordt gebruikt bij het onderzoek van microscopische verschijnselen in microzwaartekracht.

Lysozym Kristalvorming zoals gezien onder een lichtmicroscoop. Kristallen die worden gekweekt in microzwaartekracht weerspiegelen meestal minder imperfecties, waardoor ze meer ideaal zijn voor de ontwikkeling van geneesmiddelen en ander onderzoek.

Bemanningsleden aan boord van het internationale ruimtestation zullen spoedig onderzoek gaan doen om de manier waarop we kristallen op aarde laten groeien, te verbeteren. De informatie die uit de experimenten is verkregen, kan het proces voor de ontwikkeling van geneesmiddelen versnellen, waardoor mensen over de hele wereld baat hebben.

Eiwitten spelen een belangrijke rol in het menselijk lichaam. Zonder hen zou het lichaam zichzelf niet kunnen reguleren, repareren of beschermen. Veel eiwitten zijn te klein om zelfs onder een microscoop te bestuderen en moeten worden gekristalliseerd om hun 3D-structuren te bepalen. Deze structuren vertellen onderzoekers hoe een enkel eiwit functioneert en zijn betrokkenheid bij de ontwikkeling van ziekten. Eenmaal gemodelleerd, kunnen medicijnontwikkelaars de structuur gebruiken om een ​​specifiek medicijn te ontwikkelen voor interactie met het eiwit, een proces dat structuur-gebaseerd medicijnontwerp wordt genoemd.

Twee onderzoeken, het effect van macromoleculair transport op microzwaartekracht eiwitkristallisatie ( LMM biophysics 1 ) en groeisnelheid dispersie als een voorspellende indicator voor biologische kristalmonsters waar kwaliteit kan worden verbeterd met microgravity groei ( LMM biophysics 3 ), zal de vorming van deze kristallen bestuderen, kijkend naar waarom microzwaartekrachtskristallen vaak van hogere kwaliteit zijn dan op aarde gekweekt, en welke kristallen er baat bij hebben als ze in de ruimte worden gekweekt.

Rate of Growth - LMM Biophysics 1

Onderzoekers weten dat kristallen die in de ruimte worden gekweekt vaak minder onvolkomenheden bevatten dan die op aarde worden gekweekt, maar de redenering achter dat fenomeen is niet helemaal duidelijk. Een algemeen geaccepteerde theorie in de kristallografiegemeenschap is dat de kristallen van hogere kwaliteit zijn omdat ze langzamer groeien in microzwaartekracht vanwege een gebrek aan opwaartse druk door opwarming. De enige manier waarop deze eiwitmoleculen zich verplaatsen in microzwaartekracht is door willekeurige diffusie, een proces dat veel trager is dan beweging op aarde.

Een andere minder onderzochte theorie is dat een hoger niveau van zuivering kan worden bereikt in microzwaartekracht. Een puur kristal kan duizenden kopieën van een enkel eiwit bevatten. Als kristallen eenmaal naar de aarde zijn teruggekeerd en zijn blootgesteld aan een röntgenstraal, kan het röntgendiffractiepatroon worden gebruikt om de structuur van een eiwit wiskundig in kaart te brengen.

"Wanneer je eiwitten zuivert om kristallen te laten groeien, hebben de eiwitmoleculen de neiging om op een willekeurige manier aan elkaar te kleven", zegt Lawrence DeLucas, primaire onderzoeker van LMM Biophysics 1. "Deze eiwitaggregaten kunnen vervolgens worden opgenomen in de groeiende kristallen waardoor defecten worden veroorzaakt, waardoor de eiwituitlijning wordt verstoord, waardoor de kwaliteit van de röntgendiffractie van het kristal wordt verminderd."

De theorie stelt dat in microzwaartekracht een dimeer, of twee eiwitten die aan elkaar kleven, veel langzamer bewegen dan een monomeer of een enkel eiwit, waardoor aggregaten minder kans krijgen om in het kristal te worden opgenomen.

"Je kiest voor overwegend monomeergroei en het minimaliseren van de hoeveelheid aggregaten die in het kristal zijn opgenomen omdat ze zo veel langzamer bewegen, " zei DeLucas.

Het onderzoek van LMM Biophysics 1 zal deze twee theorieën op de proef stellen, om te proberen de reden (en) te begrijpen. Microzwaartekracht gekweekte kristallen zijn vaak van superieure kwaliteit en grootte in vergelijking met hun tegen de aarde gekweekte tegenhangers. Verbeterde röntgendiffractiegegevens resulteren in een meer precieze eiwitstructuur en daardoor het vergroten van ons begrip van de biologische functie van het eiwit en toekomstige ontdekking van geneesmiddelen.

Crystal Types - LMM Biophysics 3

Zoals LMM Biophysics 1 bestudeert waarom in de ruimte gekweekte kristallen van hogere kwaliteit zijn dan in de aarde gekweekte kristallen, zal LMM Biophysics 3 een kijkje nemen naar welke kristallen kunnen profiteren van kristallisatie in de ruimte. Uit onderzoek is gebleken dat slechts enkele in de ruimte gekristalliseerde eiwitten profiteren van microzwaartekrachtgroei. De vorm en het oppervlak van het eiwit waaruit een kristal bestaat definieert het potentieel voor succes in microzwaartekracht.

"Sommige eiwitten zijn als bouwstenen", zegt Edward Snell, hoofdonderzoeker van LMM Biophysics 3. "Het is heel eenvoudig om ze te stapelen. Dat zijn degenen die niet profiteren van microzwaartekracht. Anderen zijn als jelly beans. Wanneer je een mooie reeks van hen op de grond probeert te bouwen, willen ze wegrollen en niet worden besteld. Dat zijn degenen die profiteren van microzwaartekracht. Wat we proberen te doen is de blokken van de jelly beans onderscheiden. '

Inzicht in hoe verschillende eiwitten kristalliseren in microzwaartekracht, geeft onderzoekers een dieper inzicht in hoe deze eiwitten werken, en helpt bepalen welke kristallen naar het ruimtestation moeten worden getransporteerd voor groei.

"We maximaliseren het gebruik van een schaarse hulpbron en zorgen ervoor dat elk kristal dat we daar aanbrengen de wetenschappers ter plaatse ten goede komt", zei Snell.

Deze kristallen zouden kunnen worden gebruikt bij de ontwikkeling van geneesmiddelen en het onderzoek naar ziekten over de hele wereld. Volg @ISS_Research

menu
menu