«Может пройти сквозь сталь»

Использование новых технических возможностей – жесткого синхротронного излучения, получаемого с помощью лазерного источника на свободных электронах, позволяют качественно улучшить результаты рентгенодифракционных экспериментов, являющихся одним из самых мощных инструментов для изучения структуры белков и других биологических молекул, а также их сложных комплексов.

Сразу две статьи в последнем выпуске журнала Nature посвящены уникальным исследованиям структуры белков и вирусов, проведенным с помощью первого в мире источника жесткого рентгеновского излучения на свободных электронах

– установки LCLS (Linac Coherent Light Source) в Национальной ускорительной лаборатории SLAC в Калифорнии, США. Подготовка к ним шла в течение многих лет на рентгеновском лазере FLASH в DESY (Гамбург, Германия).

Первая работа посвящена исследованию трехмерной структуры белков. Сверхъяркие импульсы мощного рентгеновского излучения, направляемые на мельчайшие кристаллы, позволяют получить четкую рентгенодифракционную картину, расшифровка которой дает информацию о структуре белка. Преимущество лазерных источников перед традиционными относительно маломощными рентгеновскими лучами в том, что биологам больше не нужно стараться выращивать крупные кристаллы белков, что само по себе является сложной или вовсе невыполнимой задачей. Вторая работа посвящена исследованиям структуры вируса.

Международный коллектив исследователей (более 80 ученых из 21 института) под руководством Генри Чапмана из Германии и Яноса Хайду из Швеции провел эксперименты еще в декабре 2009 года, через два месяца после открытия LCLS. Их исследования – первая демонстрация возможностей LCLS в биологических исследованиях.

«Пучок LCLS в миллиард раз ярче, чем обычные источники рентгеновского излучения, а его интенсивность столь высока, что он может пройти сквозь сталь. До сих пор эти мощные лучи использовались в хирургии, а теперь они открывают новые горизонты в науке», – отметил Чапман.

Использование LCLS позволяет наблюдать движение атомов и разрыв-образование химических связей в режиме реального времени.

В ходе эксперимента вирусы или нанокристаллы впрыскиваются в область прохождения рентгеновского пучка. Излучение столь мощное, что объекты исследования в нем сразу разрушаются, однако фемтосекундного импульса хватает, чтобы запечатлеть всю необходимую информацию перед тем, как объект испарится.

Янос Хайду предложил эту методику около 10 лет назад. За это время исследователи из Университета Аризоны, Национальной лаборатории Лоуренс Ливермор в Беркли, SLAC и Университета Уппсалы разработали специальное оборудование для впрыскивания образца в пучок излучения, а группа немецкого научного общества имени Макса Планка создала детектор CAMP весом 10 тонн и стоимостью $7 млн, который регистрирует каждый фотон для последующего анализа данных.

С помощью этого оборудования биологам удалось изучить структуру белка, являющегося «биологической фабрикой» в клетках растений, где солнечный свет преобразуется в энергию во время процесса фотосинтеза. Он принадлежит к очень важному типу – мембранным белкам (о мембранном «белке зрения» родопсине недавно писала «Газета.Ru». Эти белки сейчас недостаточно изучены, а понимание их роли в организме очень важно для успешного создания лекарств против ряда болезней.

Эти белки как бы вживлены в клеточную мембрану и контролируют движение веществ внутрь клетки и из нее. Они работают «причалом» как для инфекций, так и для терапевтических препаратов.

В целом мембранные белки являются мишенями для более чем 60% лекарств, представленных на рынке. Сейчас ученым известна структура лишь шести из примерно 30 тысяч мембранных белков человеческого тела. Их число так мало именно потому, что они малопригодны для выращивания крупных кристаллов, необходимых для рентгенодифрационных исследований. Биологи предполагают, что с возможностями лазера на свободных электронах исследования структуры мембранных белков будут динамично развиваться.

Миллионы кристаллов белка были впрыснуты в область прохождения пучка лучей. Лазерные импульсы прошли через кристаллы под разными углами и рассеялись, а детектор зафиксировал дифракционную картину, необходимую для расшифровки структуры. Всего для восстановления расположения атомов было использовано 10 тысяч из трех миллионов «кадров».

При изучении структуры вируса ученые вообще отошли от концепции использования кристаллов: на пути рентгеновского пучка оказывались отдельные экземпляры вируса. Таким образом удалось получить «фото» мимивируса – самого крупного из известных вирусов, который способен инфицировать одноклеточных амеб. Всего с пучком взаимодействовали сотни вирусов, однако два из них дали достаточно данных, чтобы проанализировать их структуру. Ученым удалось наблюдать 20-гранную внешнюю оболочку вируса, а также плотный материал внутри – скорее всего, его генетический материал.