РИА Новости. Ученые на установке EuXFEL — Европейском рентгеновском лазере на свободных электронах — впервые смогли наблюдать в реальном времени, как меняется структура белков, и сняли первый в истории молекулярный фильм.
Схема эксперимента. Микрокристаллы вводятся вверху слева. Реакция инициируется импульсами лазера слева в центре, попадающими в белки внутри кристаллов. Атомная структура белка исследуется с помощью рентгеновских импульсов (слева внизу).
© European XFEL / Blue Clay Studios
EuXFEL генерирует интенсивное рентгеновское излучение в виде чрезвычайно коротких импульсов, продолжительностью не более 100 фемтосекунд. Это позволяет исследовать сверхбыстрые химические реакции, наблюдая все этапы преобразования вещества.
Американские ученые под руководством Мариуса Шмидта (Marius Schmidt) из Университета Висконсин-Милуоки разработали эксперимент по изучению преобразований белков под действием света.
Для того чтобы разобраться в реакциях белковой химии, отвечающих за все жизненно важные функции организмов, необходимо увидеть, как молекулы изменяются, взаимодействуя друг с другом. Так как эти изменения очень быстрые, наблюдения должны проводиться со сверхкоротким шагом, чтобы проследить все этапы, и по возможности выделить те, где происходят сбои, которые могут стать причиной заболеваний.
Первый эксперимент по наблюдению за изменением формы белков Шмидт и его коллеги поставили в 2014 году в Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики США в Калифорнии. Там ученые впервые смогли задокументировать атомные изменения в белковых образцах.
В 2016 году с помощью американской установки XFEL им удалось повысить детальность своих наблюдений и отобразить перегруппировку атомов в диапазоне времени от нескольких фемтосекунд до трех пикосекунд. Изменения, происходящие во временном масштабе более 100 пикосекунд, уже были зафиксированы ранее с использованием других источников рентгеновского излучения.
Таким образом, оставался неисследованным диапазон от 3 до 100 пикосекунд, и для этого ученые приехали на EuXFEL, где вместе со своими немецкими коллегами провели завершающий этап эксперимента.
Суть метода рентгеновской кристаллографии заключается в том, что кристаллы, содержащие белки, облучаются лазером и одновременно подвергаются воздействию рентгеновских импульсов. Дифракция лучей — рассеяние их по определенной схеме — показывает местоположение атомов в кристалле.
Быстрые импульсы рентгеновского излучения создают двухмерные снимки каждого образца с сотен тысяч углов, под которыми луч попадает на кристалл. После цифровой обработки они преобразуются в движущиеся трехмерные изображения, которые показывают изменения в расположении атомов с течением времени — «белковые» фильмы.
Следующая задача состояла в том, чтобы проанализировать полученные данные и построить карты структурных изменений белков. Дело в том, что из миллионов рентгеновских импульсов, которые создает XFEL, большинство вообще не попадают в цель. Кристалла достигают только 1-2 процента импульсов, остальные создают «шум», который необходимо удалить из данных. Для этого ученые написали специальную программу.
«Создание карт физического функционирования белка открывает двери для ответов на гораздо более серьезные биологические вопросы, — приводятся в пресс-релизе университета слова профессора Шмидта. — Теперь EuXFEL можно рассматривать как инструмент, который помогает спасать жизни людей».
Результаты исследования на EuXFEL знаменуют собой новый этап исследований белков, позволяющий разобраться, какие функциональные структурные преобразования происходят в этих молекулах, понять динамику биологических процессов, в которых они участвуют.
Статья опубликована в журнале Nature Methods
Источник: РИА Новости
