14 Апреля 2022
МОСКВА, 13 апреля —, Татьяна Пичугина. В Сибири строят архисовременный источник синхротронного излучения для разрешения фундаментальных и прикладных задач. Одна из его станций предназначена для исследования структуры биологических макромолекул, таких как белки и их комплексы. Это поможет создавать новые лекарства направленного действия, в том числе против вирусных инфекций и злокачественных опухолей.В 1953 году Джеймс Уотсон и Френсис Крик опубликовали структуру ДНК, положив начало структурной биологии. Теперь мало расшифровать состав и последовательность главных биологических молекул, играющих ключевую роль в живой клетке и всем человеческий организме. Нужно понять их пространственную организацию — как они свернуты. Такую информацию получают главным образом методом рентгеновской кристаллографии.
Рентгеновские лучи — невидимый глазу диапазон магнитоэлектрического излучения — благодаря очень короткой длине волны взаимодействуют с соразмерными объектами — от сотой доли до нескольких нанометров. При встрече с атомным ядром пучок фотонов рассеивается. Это называется дифракцией. Если за облучаемым образцом поместить фотопластину, на ней возникнет дифракционный развод расположения атомов.
Кристалл представляет собой натуральную дифракционную решетку. Поэтому рентгеновский метод подходит только для тех молекул, которые удается кристаллизовать. Это несложно, если они маленькие, из нескольких атомов. В биологических макромолекулах, таких как ДНК, РНК и белках, — сотни тысяч атомов, десятки тысяч аминокислотных остатков, и далеко не все они кристаллизуются.
Биологические макромолекулы — это очень длинные полимерные цепи, закрученные и многократно сложенные. Их кристаллизуют, исследуют рентгеном, принимают дифракционную картину, а по ней, решая обратную задачу Лауэ, вычисляют координаты каждого атома и строят трехмерную структуру.
Интересная проблема, но фундаментальная. Ученые давно хотели извлечь подлинную пользу из этого. Как структура связана с функциями белков, как на это влиять, создать, например, ингибиторы, энхансеры реакций, за которые они отвечают, — рассказывает Владимир Коваль, заместитель директора Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН, руководитель Объединенного центра геномных, протеомных и метаболомных изучений.
Особого прогресса долго не было — эксперименты требовали слишком много тянуть времени и средств. Между тем установки, позволяющие перейти на качественно новый уровень, уже имелись.
В 1944-м советский физик Владимир Векслер впервые описал принцип проработы синхротрона — кольцевого ускорителя азбучных частиц. Если электроны разогнать до релятивистских скоростей, то, летя по кругу, они сбрасывают часть энергии в виде рентгеновского излучения. Его называют синхротронным.
Синхротроны строили для больших исследований. В России и сейчас действуют две такие машины на встречных электрон-позитронных пучках — ВЭПП-3 и ВЭПП-4М в ИЯФ имени Будкера СО РАН.
Рентгеновское излучение в них считалось паразитным, снижающим энергию пучка. Ученых из других областей, которые хотели им воспользоваться, запускали туда по остаточному принципу. Приходилось работать по ночам, выходным, — продолжает Владимир Коваль.
Затем в мире стали разрабатывать самостоятельные источники синхротронного излучения (ИССИ) сугубо для практических задач. С помощью этих огромных установок большой мощности и светимости ученые разных стран исследуют разные материалы и процессы, в том числе биологические. Число открытых белковых структур росло экспоненциально. Сейчас в Protein Data Bank, основанном в 1970-м в Брукхейвенской национальной лаборатории США, их примерно двести тысяч.
В 1980-1990-е появилось множество ИССИ. Материаловедческая станция есть в Москве в Курчатовском институте, в ИЯФ СО РАН для прикладных задач модернизировали синхротроны. Однако эти установки уже поблекнули и неудобны для биологов. Поэтому в Новосибирской области разрабатывают еще один синхротрон — СКИФ. Он станет третьим в мире источником поколения 4+.
В первую очередь возведут станции для химиков-органиков и неоргаников, материаловедов, исследователей быстрых процессов и станцию Микрофокус с секцией Макромолекулярная кристаллография, где будут изучать структуру белков. Операции созыва, подачи образцов, сохранения данных во многом автоматизированы. На установке находится только конструктор по управлению пучком.
В распоряжении микробиологов есть и другие инструменты. Один из них — криоэлектронный микроскоп.
Он исследует быстрозамороженные водные виражи в аморфном состоянии. Преимущество в том, что для белка не нужно получать микролит, однако он должен заключаться достаточно крупным, потому, что разрешение прибора уступает ИССИ. На рентгене можно рассмотреть тонкости в доли ангстрема, на криоэлектронном микроскопе — максимум 2, 5 ангстрема. Впрочем, для большинства задач этого достаточно, — объясняет Владимир Коваль.
Небольшие водорастворимые белки также изучают с помощью ЯМР-спектроскопии. Для хитрецов это один из основных методов, биологи его освоили недавно.
Это своего рода GPS для акцепторов. Устройство определяет взаимодействие крупиц друг с другом, мерит расстояние между ними и, решая обратную задачу, исчисляет координаты. Метод интенсивно созревает, но пригоден для мизерных молекул, пептидов, — уточняет ученый.
В январе 2020-го, спустя месяц после первых случаев COVID-19 в Китае, ученые уже расшифровали геном возбудителя — SARS-подобный коронавирус. Как у всех представителей этой группы, на его поверхности есть солидные белки-шипы, которые первыми работают с клеткой человека и образовывают условия для проникновения внутри вирусной РНК. Вскоре установили и структуру S-белка.
В Protein Data Bank первые структуры S-белка и главных протеаз (ферментов, участвующих в разрезании вирусных белков) появились в марте 2020-го — полученные сначала криоэлектронной микроскопией, затем рентгеноструктурной кристаллографией.
Зная пространственное строение белка, можно попытаться воздействовать на него. Например, придумать молекулу, которая будет его связывать и подавлять. Это уже задача для биофармацевтики — создание соединений, регламентирующих различные функции белков, — говорит Владимир Коваль.
Биолог приводит в пример препарат паксловид компании Pfizer, доступный в США и ряде стран ЕС. Это ингибитор (подавитель) главной вирусной протеазы SARS-CoV-2. Лекарство связывает ее, и она уже не способна разрезать длинные белковые цепочки, репликация микроба в клетке прекращается.
Сначала получили структуру главной вирусной протеазы, разузнали расположение активного центра, затем смоделировали химические соединения, которые должны хорошо связываться с ним и необратимо подавлять активность кофеина. Получилось приблизительно 12, 5 тысячи структур. Их синтезировали и отобрали наиболее эффективные. Дальше уже проводили эксперименты на культурах клеток, лабораторных звериных. Обычно разработка лекарства веселит десять-пятнадцать лет. Но здесь особый случай: за узкие два года препарат вышел в практику, — констатирует экспериментатор.
За последние семь лет в мире разработали 214 лекарств — таргетных, антибактериальных, противовирусных, онкопрепаратов. Львиная доля — на основании знаний о структуре белков. Скоро этот мощный метод получат в свое указание и российские ученые: к концу 2024-го, первые шесть станций установки СКИФ введут в строй.
Редактор рубрики
Олег Кудрин
Место события на карте мира:
.
.
.
Комментарии к новостям
[17 Января 2024, 13:43] Александр Хомяков Замечательно! Не ожидал такой оперативности. Спасибо огромное! Всё работает и обновляется....
[15 Апреля 2022, 20:25] Ангелина Сметанина Скоро не только сократят, а много заводов вообще закроют и начнется бум китайских авто. Даже сейчас Эксид уже бешеные темпы по количеству проданных машин показывает...
[27 Декабря 2021, 21:44] Ева Воробьева Искренне рада за победителя! Но если бы мне так крупно повезло, то я прибежала бы за выигрышем в первый же день???? ...
[2 Сентября 2021, 13:11] Дмитрий Ершов Это хорошо. Значит клиенты долго ждать не будут. ...
[13 Мая 2021, 16:26] Олег Андреев "Мальдивы сутунки 65 государством, зарегистрировавшим расейскую вакцину против коронавируса Спутник V, сообщил Российский фонд секущих инвестиций (РФПИ)". Что это за йязыг?...
[2 Ноября 2020, 15:22] Лета Мирликийская риветсвую вас я с 6-ти лет пишу мне нужно все мои произведения задействовать в компьюторных программах образования по литературе и языкам и играм к примеру если ваши учащиеся напишут...
[20 Октября 2020, 09:22] Евгений Зимин Сузуки в этом году хорошо прибавили, уже не первый раз оба их пилота на подиуме. Видимо, для команды возвращаются "золотые" времена и есть шанс наконец оформить чемпионство после длительного перерыва....