TEKNIK FISIKA DALAM BIDANG BIOLOGI STRUKTURAL

Posted by goresan refleksi on Friday, July 03, 2020 in Teknologi Sains | 1 comment

Teknik berbasis fisika memainkan peran besar dalam bidang biologi struktural. Sebagian besar struktur makromolekul biologis diperoleh dengan kristalografi sinar-X, kembali ke tahun 1934, ketika John Desmond Bernal dan Dorothy Hodgkin mencatat pola difraksi sinar-X pertama dari protein mengkristal, enzim pepsin pencernaan. Pekerjaan mereka berasal dari fisikawan seperti Wilhelm Röntgen, yang menemukan sinar-X; Max von Laue, yang menemukan bahwa panjang gelombang sinar-X sebanding dengan jarak antar-atom dan karenanya terdifraksi oleh kristal; dan William Henry dan William Lawrence Bragg, yang menunjukkan cara menggunakan pola difraksi untuk menganalisis struktur kristal yang sesuai. Hodgkin kemudian memenangkan Hadiah Nobel 1964 untuk Kimia untuk tekadnya dengan teknik sinar-X dari struktur zat biokimia penting.

Molekul biologis tunggal juga mendifraksi sinar-X, tetapi hanya sangat lemah. Kristalisasi, seperti yang digunakan Bernal dan Hodgkin untuk pepsin, sangat membantu karena menghasilkan pengulangan sejumlah besar molekul dalam kisi 3D yang dipesan, sehingga semua sinyal kecil mereka saling memperkuat satu sama lain dan menjadi terdeteksi - oleh pelat foto pada masa-masa awal. dan oleh detektor piksel aktif hari ini. Sinyal-sinyal ini bukan gambar dari molekul, karena tidak ada bahan yang secara substansial dapat membias, dan dengan demikian fokus, tersebar sinar-X. Sebaliknya, sinyal hanyalah jumlah kontribusi sinar-X yang difraksi dari bagian molekul yang berbeda. Untuk memisahkan kontribusi ini, ahli biologi struktural bergantung pada alat matematika - transformasi Fourier. Kontribusi yang dihitung kemudian disamakan dengan struktur atom yang mungkin dengan banyak interpretasi yang cermat (dan sekarang sebagian besar digerakkan oleh komputer).

Tentu saja, untuk mendapatkan sinyal di tempat pertama membutuhkan sinar-X. Saat ini, sumber radiasi synchrotron - fasilitas besar yang mempercepat elektron dalam cincin kontinu - ideal untuk kristalografi makromolekul karena mereka menghasilkan sinar-X intensitas tinggi dengan penyebaran panjang gelombang yang sangat sempit. Pada mesin-mesin ini, menurut Wlodawer, set data difraksi yang akan memakan waktu berbulan-bulan dengan sinar-X dari generator anoda putar tradisional hanya memerlukan beberapa detik untuk mengkompilasi.

Perkembangan teknologi seperti ini mendorong perintis pertama ke dalam desain obat rasional, di mana para ilmuwan mempelajari struktur dan fungsi molekul untuk mencari tahu obat apa yang mungkin mengikat mereka - dan dalam kasus virus, mencegah mereka dari replikasi. Obat antivirus untuk HIV adalah keberhasilan awal. Ketika HIV protease diidentifikasi pada tahun 1985 sebagai enzim esensial - dan karena itu target obat potensial - dalam siklus hidup virus, diperlukan empat tahun untuk menentukan struktur kristal pertama, dan enam tahun lagi untuk obat berlisensi pertama untuk menghambat Itu. "Itu mungkin salah satu kasus terbaik yang terdokumentasi tentang seberapa cepat desain obat rasional dapat berjalan," kata Wlodawer, yang berkontribusi pada upaya internasional.

Hari ini, mungkin lebih cepat. Penundaan empat tahun dalam memperoleh struktur protease HIV terutama disebabkan bukan karena kecemerlangan atau kualitas sinar-X, tetapi karena kurangnya kristal enzim yang cukup besar. Sinkrotron terkini dan laser elektron bebas yang lebih baru - yang mengekstraksi data difraksi dari kristal molekuler dalam beberapa femtosekon sebelum dihilangkan - menggunakan teknik-teknik seperti kristalografi serial untuk membangun dataset difraksi lengkap dari berbagai set data parsial kristal yang seharusnya juga terlalu kecil. Selain itu, baik kristalisasi dan pengumpulan data sekarang terotomatisasi, sehingga ahli biologi struktural bahkan tidak perlu mengunjungi sumber cahaya sendiri: mereka hanya memposting protein mereka ke fasilitas dan mengunduh dataset ketika sudah siap.

Teknik berbasis fisika memainkan peran besar dalam bidang biologi struktural. Sebagian besar struktur makromolekul biologis diperoleh dengan kristalografi sinar-X. Perkembangan teknologi seperti ini mendorong perintis pertama ke dalam desain obat rasional, di mana para ilmuwan mempelajari struktur dan fungsi molekul untuk mencari tahu obat apa yang mungkin mengikat mereka - dan dalam kasus virus, mencegah mereka dari replikasi.