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Advanced Imaging System for Biomolecular Crystallization Screening

English title Advanced Imaging System for Biomolecular Crystallization Screening
Applicant Maier Timm
Number 145023
Funding scheme R'EQUIP
Research institution Biozentrum der Universität Basel Systembiologie
Institution of higher education University of Basel - BS
Main discipline Biophysics
Start/End 01.12.2012 - 31.12.2013
Approved amount 330'000.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Biophysics
Molecular Biology

Keywords (9)

Structural Biology; Protein Crystallography; Automated Detection Systems; Second Harmonic Generation; High-throughput Imaging; Nanocrystallography; Free electron Laser; X-ray Diffraction; Membrane Proteins

Lay Summary (German)

Lead
Proteine üben eine Vielzahl biologischer Funktionen aus und besitzen eine an ihre spezifische Aufgabe angepasste Struktur. Die Aufklärung dieser Raumstruktur ermöglicht Einsichten in biologische Mechanismen. Die erfolgreichste Technik hierzu ist die Röntgenkristallographie, die im wesentlichen nur durch die Suche nach Kristallisationsbedingungen eingeschränkt ist. Das beantragte Bildgebungssystem verwendet neue optische Methoden um diesen Engpass für die Proteinstrukturbestimmung zu beseitigen.
Lay summary

Die Aufklärung von Proteinstrukturen erlaubt Einsichten in biologische Mechanismen mit atomarer Auflösung und leistet einen Beitrag zur Entwicklung neuer Medikamente. Die wichtigste Technik zur Strukturaufklärung ist die Kristallographie. Sie ermöglicht es, die Strukturen von Proteinen aller Arten und Grössen bis hin zu riesigen molekularen Maschinen bei hoher Auflösung zu untersuchen. Eine wesentliche Vorbedingung für die kristallographische Untersuchung ist allerdings das Züchten von Kristallen des jeweiligen Proteins. Die Kristallisation selber und optimale Kristallisationsbedingungen sind nicht vorhersagbar, sondern werden in empirischen Reihentests bestimmt. Trotz moderner Robotik ist das Züchten grosser Kristalle immer noch der wesentliche Engpass der Proteinkristallographie. Neuartige Röntgenquellen, die sogenannten Freien Röntgenlaser ermöglichen seit kurzem das Arbeiten mit immer kleineren Kristallen bis in den Submikrometerbereich. Generell ist das Auffinden von Kristallen in Kristallisationstropfen ein schwieriger Vorgang, der bisher zumeist mit Hilfe von Hellfeldmikroskopie durchgeführt wurde. Das beantragte Gerät ist ein Hochdurchsatz-System zur Aufbewahrung und mikroskopischen Analyse von Proteinkristallisationsansätzen, das neben der Hellfeldmikroskopie eine zusätzliche Laser-basierte Bildgebungstechnik nutzt. Diese sog. SHG-Methode erlaubt die spezifische Detektion von hochperiodischen Materialien, wie Kristallen, selbst in optisch inhomogenen Kristallisationstropfen und ist sensitiv genug, um Submikrometer-Kristalle zu detektieren. Durch den erhöhten Durchsatz und die neuartigen Detektionsmöglichkeiten trägt dieses Bildgebungssystem wesentlich zu einer erfolgreichen Aufklärung von biologisch und pharmakologisch hochrelevanten Proteinstrukturen bei.

Direct link to Lay Summary Last update: 16.01.2013

Responsible applicant and co-applicants

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
Gebhard Schertler, PSI & ETH Zurich Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Research Infrastructure
Christoph Dehio, Biozentrum Uni Basel Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Research Infrastructure
Beat Ernst, Pharmazentrum, Universität Basel Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Research Infrastructure
Meitian Wang, MX SLS, PSI Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Research Infrastructure
Mike Hall, Biozentrum, Uni Basel Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Research Infrastructure
Urs Jenal, Biozentrum, Uni Basel Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Research Infrastructure

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
138414 Molecular mechanisms of c-di-GMP signaling and of target AMPylation 01.02.2012 Project funding (Div. I-III)
128419 Structure, Function and Folding of Membrane Proteins and their Complexes 01.08.2010 SNSF Professorships
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127882 NCCR Structural Biology: Molecular Life sciences: Three Dimensional Structure, Folding and Interactions (phase III) 01.05.2009 National Centres of Competence in Research (NCCRs)
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159696 Multienzymes in Lipid and Polyketide Biosynthesis 01.04.2015 Project funding (Div. I-III)

Abstract

The requested advanced imaging system for biomolecular crystallization screening combines standard visual light microscopy with the advanced SONICC imaging technology, based on second harmonic generation in chiral crystals. It provides superior selectivity for crystalline material even in turbid or inhomogeneous media typically observed in biological crystallization screening. It's high sensitivity permits detection even of submicrometer-sized nanocrystals, which in combination with the recently introduced method of X-ray free electron laser based serial nanocrystallography, open a new way towards structure determination of challenging protein targets. Thus, these advanced imager helps to overcome key bottlenecks in biomolecular crystalllization screening for a number of structure determination at and beyond the Biozentrum of the University of Basel.
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