В основе всей жизни лежат белки: они обеспечивают существование клетки, ее рост и развитие, они же защищают ее от внешних неблагоприятных факторов, в том числе ядов. Ученым очень важно разглядеть белки и понять, как они работают. Эту задачу решают в Курчатовском институте.
Установка молекулярно-лучевой эпитаксии
Фото: Анатолий Жданов, Коммерсантъ
Молекула белка представляет собой последовательность аминокислотных остатков, информация о которой записана в ДНК. Благодаря внутримолекулярному взаимодействию такая полипетпидная цепочка саморганизуется в трехмерную структуру. Взаимодействуя между аминокислотными остатками, вся полипептидная (белковая) цепь белка самоорганизуется в трехмерную структуру.
Взаиимодействие белков с целевыми молекулами основано на принципе "замок--ключ", поэтому биологическая функция белка определяется именно трехмерной структурой его молекулы. Для понимания роли каждого из белков и ее корректировки (если по какой-то причине функция белка была нарушена) нужно иметь точную информацию о взаимном расположении всех атомов (с точностью до ангстрема!), из которых состоит белковая молекула.
Исследование белковой структуры позволяет также определить, как взаимодействует белок с различными веществами. Все эти знания необходимы в медицинской диагностике, особенно для распознавания болезни на ранней стадии, для разработки новых лекарственных препаратов и, конечно, для создания природоподобных гибридных систем, в которых основной функциональный элемент — белок.
Искусственное чувственное восприятие
Когда наши органы чувств принимают от внешнего мира какой-то сигнал или когда внутреннее состояние организма претерпевает изменения, "биологический сигнал" воздействует в первую очередь на белковые молекулы. Если использовать эту удивительную особенность белков — способность детектировать свет, запах, вкус, механические смещения, звук, можно создать бионические аналоги каждого из органов чувств.
В Курчатовском комплексе НБИКС-природоподобных технологий проводятся исследования, охватывающие полную цепчку работ с белками: от постановки задачи, получения белковых объектов (клонирование необходимого гена, экспрессия, то есть синтез, функционального белкового продукта, его выделение и очистка) до точнейшего определения их структуры с помощью самого полного комплекса методов, существующих в мире на сегодняшний день.
Оборудование, имеющееся в Курчатовском институте, дает ученым возможность совершать фундаментальные открытия. Например, исследователь может воспользоваться единственным в России специализированным источником синхротронного излучения, единственным в России криоэлектронным микроскопом, спектрометром ядерного магнитного резонанса (ЯМР-спектрометр). Такой набор инструментов целиком охватывает все методики исследования структуры белковых молекул, доступные современной науке.
Из белка сделать кристалл
Модели, полученные по результатам исследований с помощью криогенного электронного микроскопа: рибосомный комплекс с антибиотиком (слева), вирус гепатита B без ДНК (справа)
Самый популярный метод определения трехмерной структуры белковых молекул сегодня — метод рентгеноструктурного анализа. Чтобы им воспользоваться на практике, нужно вначале получить белковые кристаллы, что само по себе является довольно трудной задачей. В формировании белковых кристаллов участвует множество факторов, и до сих пор не существует общепризнанной системы подбора параметров для роста кристаллов.
В Курчатовском институте для этого используется специальная роботизированная система, которая позволяет быстро перебрать большое количество условий, а расходует она минимальное количество белка. Полученные кристаллы "просвечивают" пучком синхротронного излучения на станции "Белок" Курчатовского источника синхротронного излучения. Чтобы минимизировать повреждения молекулы от действия радиации, сам кристалл помещают в пары кипящего азота. Анализ дифракционных картин позволяет ученым восстановить структуру с разрешением от одного до нескольких ангстрем.
Вторым по популярности после рентгеноструктурного анализа методом определения структур биомолекул стал метод ядерного магнитного резонанса. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса позволяет ученым определить структуру белков относительно небольшого размера, причем непосредственно в растворе. В НИЦ "Курчатовский институт" работает самый современный ЯМР-спектрометр, благодаря которому можно, например, определить структуру белковых соединений даже в том случае, если не удается или принципиально невозможно получить кристалл белка.
Зафиксировать и разглядеть
За прошлый год экспоненциально увеличилось число белков и биомолекул (рибосомы, вирусы и тому подобные объекты), структуру которых удается определить с помощью метода просвечивающей криоэлектронной микроскопии. Биологические молекулы специальным образом "замораживаются", а затем просвечиваются пучком электронов. Анализ картинок, получаемых на детекторе, позволяет восстановить трехмерную структуру молекул. Все это осуществляется при помощи криоэлектронного микроскопа, который оснащен корректором сферических аберраций. Этот же микроскоп используется и в исследованиях, когда необходимо определить структуру больших биологических молекул и белков — вирусов, рибо-, дезоксирибонуклеиновых кислот и других соединений, кристаллизация которых по естественным причинам затруднена.
Огромные массивы экспериментальных данных ученые Курчатовского института обрабатывают при помощи Комплекса моделирования и обработки данных исследовательских установок мега-класса. У этого комплекса небывалое количество функций и возможностей — к примеру, с его помощью можно предсказывать поведение биологических объектов и биомолекул на траекториях в несколько микросекунд, можно даже моделировать биологические процессы в живых клетках!