Near-atomic resolution of protein structure by electron microscopy

A new study shows that it is possible to use an imaging technique called cryo-electron microscopy (cryo-EM) to view, in near-atomic detail, the architecture of a metabolic enzyme bound to a drug that blocks its activity. This advance provides a new path for solving molecular structures that may revolutionize drug development, noted the researchers.

The protein imaged in this study was a small bacterial enzyme called beta-galactosidase; the drug to which it was bound is an inhibitor called phenylethyl-beta-D-thiogalactopyranoside (PETG), which fits into a pocket in the enzyme. Enzymes are typically proteins that act to catalyze biochemical reactions in the cell. Understanding what an enzyme looks like, both with and without a drug bound to it, allows scientists to design new drugs that can either block that enzyme’s function (if the function is responsible for a disease), or enhance its activity (if lack of activity is causing a problem).

The study appeared online May 7, 2015, in Science Express. Sriram Subramaniam, Ph.D., of the National Cancer Institute’s (NCI) Center for Cancer Research, led the research. NCI is part of the National Institutes of Health.

“This represents a new era in imaging of proteins in humans with immense implications for drug design,” said NIH Director Francis S. Collins, M.D., Ph.D. “This near-atomic level of imaging provides detailed information about the keys that unlock cellular processes.”

Drug development efforts often involve mapping contacts between small molecules and their binding sites on proteins. These mappings require the highest possible resolutions so that the shape of the protein chain can be traced and the hydrogen bonds between the protein and the small molecules it interacts with can be discerned.

In this study, the researchers were able to visualize beta-galactosidase at a resolution of 2.2 angstroms (or Å — about a billionth of a meter in size), which is comparable to the level of detail that has thus far been obtained only by using X-ray crystallography. At these high resolutions, there is enough information in the structure to reliably assist drug design and development efforts.

To determine structures by cryo-EM, protein suspensions are flash-frozen at liquid nitrogen temperatures (-196°C to -210°C , or -320°F to -346°F) so the water around the protein molecules stays liquid-like. The suspensions are then imaged with electrons to obtain molecular images that are averaged together to discern a three-dimensional (3D) protein structure.

“The fact that cryo-EM technology allows us to image a relatively small protein at high resolution in a near-native environment, and knowing that the structure hasn’t been changed by crystallization, that’s a game-changer,” said Dr. Subramaniam.

In the study, using about 40,000 molecular images, the researchers were able to compute a 2.2 Å resolution map of the structure of beta-galactosidase bound to PETG. This map not only allowed the researchers to determine the positioning of PETG in the binding pocket but also enabled them to pick out individual ions and water molecules within the structure and to visualize in great detail the arrangement of the amino acids that make up the protein.

Dr. Subramaniam and colleagues have recently used cryo-EM to understand the functioning of a variety of medically important molecular machines, such as the envelope glycoproteins on HIV and glutamate receptors found in brain cells. Their new finding, however, represents the highest resolution that they or others have achieved to date for a structure determined by cryo-EM.

“Cryo-EM is positioned to become an even more useful tool in structural biology and cancer drug development,” said Douglas Lowy, M.D., acting director, NCI. “Even for proteins that are not amenable to crystallization, it could enable determination of their 3D structures at high resolution.”


Substack subscription form sign up
The material in this press release comes from the originating research organization. Content may be edited for style and length. Want more? Sign up for our daily email.

2 thoughts on “Near-atomic resolution of protein structure by electron microscopy”

  1. College of Engineering at Unizah is a new college which is affiliated to Qassim University. It follows the same curriculum as that of the College of Engineering in the main campus.

  2. ماذا يميز جامعة المدينة العالمية [MEDIU] ؟
    أولاً: التقنية العالية والتسهيلات الحديثة: إن البنية التقنية لجامعة المدينة العالمية معدة لتلاءم أفضل المواصفات العصرية في مجال التعليم الالكتروني والتعليم عن بعد، وتشمل تلك البنية التحتية الأمور الآتية :

    • موقع جامعة المدينة العالمية المتميز على الإنترنت ” http://www.mediu.edu.my ” : والذي يقدم كافة أشكال الخدمات الجامعية ، والتي تشمل خدمات القبول والتسجيل والاستفسار والدخول على الدروس المباشرة والتواصل مع المدرسين والإداريين بالجامعة.
    • النظام الالكتروني للإدارة التعليمية ” عليم “، لإدارة الشؤون الدراسية بالجامعة، والذي يمكن كلاً من الطالب والأستاذ الجامعي والمشرفين الإداريين على إدارة كافة أشكال العملية الدراسية والتواصل المباشر، وبث المحاضرات الأكاديمية وأداء التمارين الدراسية.
    • المكتبة الرقمية الشاملة http://www.mediu.edu.my/arb/elibrary/elibrary.htm والتي توفر للطالب والمحاضر الجامعي أغلب أنواع المصنفات والمراجع الدراسية.
    • مركز متميز لخدمة العملاء، والذي يمكن للطالب أو المحاضر أو المستفسر من خلاله الحصول على أي نوع من أنواع الخدمات المتاحة، وتوفر له إمكانية التواصل السريع.
    • الصبغة العالمية : حيث إن الكوادر الإدارية والتدريسية في الجامعة تنحدر من العديد من الجنسيات والثقافات من شتى دول العالم، مما يوفر للجامعة صبغة عالمية ويساعد الطلبة على سرعة التأقلم في الجو الدراسي بالجامعة.
    ثانيًا: البرامج الدراسية المتنوعة والمعتمدة:
    حرصت الجامعة منذ البداية على وضع الأسس الأكاديمية لتقديم برامج دراسية متنوعة في مراحل: الدراسات التمهيدية ما قبل الجامعة، والدبلوم والبكالوريوس والدبلوم العالي والماجستير وصولاً إلى الدكتوراه، في عدد من التخصصات العلمية شملت تخصصات العلوم الإسلامية واللغة العربية، والعلوم المالية والإدارية، وعلوم الحاسب الآلي، والتربية، والعلوم التطبيقية، ويتم اعتماد جميع البرامج الدراسية في الجامعة مسبقاً وقبل طرحها من قبل هيئة الاعتمادات والمواصفات الأكاديمية الماليزية التابعة لوزارة التعليم العالي بدولة ماليزيا والمعترف بها عالمياً والتي تعرف اختصاراً بـ[MQA]، وقد حصلت الجامعة على الاعتراف الأكاديمي لبرامجها المتميزة في أكثر من 90 برنامجاً دراسياً.
    عُدت “جامعة المدينة العالمية” إحدى أولى المؤسسات التعليمية الرائدة في ماليزيا في مجال التعليم العالي في تقديم عدد من البرامج والتخصصات التي لم يسبق إليها في مجال التعليم الالكتروني .
    ثالثًا: (التعليم عن بعد( من خلال خمسة كليات موزعة كالأتي :-
    1. كلية العلوم الإسلامية
    2. كلية اللغات
    3. كلية الحاسب وتقنية المعلومات
    4. كلية العلوم المالية والإدارية
    5. كلية التربية
    6. كلية الهندسة
    7. مركز اللغات
    8. مركز الدراسات التمهيدية للمرحلة الجامعية.
    رابعًا: المنهج الأكاديمي المحكم:
    حيث حرصت “جامعة المدينة العالمية” منذ البداية على ضبط المنهج الأكاديمي للبرامج الدراسية وإعداده وتحكميه من قبل جهات معتمدة ومشهود لها بالمعرفة والخبرة، وتقوم الجامعة بتقديم كامل المنهج الأكاديمي المحكم مسجلاً بالصوت والنص والمراجع والمصادر الدراسية ومقسماً على المحاضرات الدراسية وفق التقويم الأكاديمي بشكل مسبق إلى الطلبة الملتحقين بها لتسهم بذلك في رفع مستواهم التعليمي، وتحقق الجودة الأكاديمية المستهدفة.
    خامسًا: برامج تطوير شاملة للطلبة:
    من خلال الخدمات التي تقدمها “جامعة المدينة العالمية [MEDIU]” عبر مركزها الرئيسى أو مراكز الخدمات التابعة لها وعددها تسعة في كل من ( الكويت – السعودية – إندونيسيا – تايلاند – مصر – سنغافورة – ماليزيا – بريطانيا- المغرب- غانا )، فإن الجامعة تقدم لطلابها المهارات العلمية والتربوية الأساسية إلى جانب التعليم الموجه ضمن خبرات فذة وبيئة ووسائل تعليمية سيعتبرها خريجو الجامعة بأنها قد غيرت مجرى حياتهم، هذا إضافة إلى أن الكادر الإداري والأكاديمي بالجامعة مؤهل على أعلى المستويات، ومزود بخبرات واسعة في طرق التعليم والإشراف، مما يوفر أنسب الفرص للطلاب لتنمية مهاراتهم القيادة من خلال مجتمع عالمي متنوع، وتعد الجامعة طلابها وتزودهم بمهارات وإمكانيات متعددة، كمهارات استخدام التقنية الحديثة، وإجادة اللغات المختلفة، ومهارات تنمية الشخصية والمهارات القيادية والأنشطة الإجتماعية والرياضية.
    سادسًا: رسوم دراسية معقولة:
    تقدم جامعة المدينة العالمية [MEDIU] تعليماً راقياً برسوم دراسية معقولة، حيث تبلغ الرسوم الدراسية لبرامج الدبلوم في العلوم المالية والإدارية والحاسب الآلي (المعادل لدرجة الليسانس) حوالي [4000] دولار أمريكي لطول مدة الدراسة والتي تترواح ما بين سنتين ونصف إلى ثلاثة سنوات، بينما تبلغ إجمالي قيمة الرسوم الدراسية في برامج البكالوريوس في العلوم الإسلامية واللغة العربية لكامل مدة الدراسة والتي تبلغ أربعة سنوات في حوالي [6000] إلى [7000] دولارأمريكي، ويبلغ متوسط الرسوم الدراسية لمرحلة الماجستير في العلوم الإسلامية واللغة العربية والممتدة لمدة سنيتن حوالي [6000] دولار أمريكي.

    اسمحوا لنا أن نختم هذا الخطاب التعريفي بأن نسطر جزيل الشكر والتقدير لكم على اطلاعكم عليه آملين لكم المزيد من النجاح والتقدم والازدهار، ومتطلعين إلى المزيد من آفاق التعاون والتعاضد المثمرة والبناء.

    تحياتنا لكم
    فريق التسويق بجامعة المدينة العالمية بماليزيا

Comments are closed.