Комплемент для ДНК

Одним из победителей Всероссийского инженерного конкурса для студентов и аспирантов в области нанотехнологий стал Роман Морячков, аспирант Института физики ФИЦ КНЦ СО РАН (Красноярск). Работа ученого посвящена решению одной из сложнейших проблем биохимии — исследованию атомарной структуры сравнительно небольших биомолекул. По словам Романа, новый подход поможет значительно ускорить поиск новых лекарств.

Современные исследования активности лекарств на молекулярном уровне требуют точного знания структуры белков и других биомолекул, составных частей наших клеток. Однако существует очень мало методов, которые позволяют ученым получить эти знания. Основным среди них является рентгеновская кристаллография. Пучок рентгеновского излучения взаимодействует с кристаллом белка как с дифракционной решеткой и рассеивается определенным образом. Соединив воедино огромное число таких картин рассеяния, полученных с разных углов освещения кристалла, можно получить очень точные данные о положении атомов в кристалле — а значит и в белке.

Ключевой проблемой здесь становится выращивание монокристаллов биомолекул. Такие сложные соединения по меньшей мере не желают кристаллизоваться, поэтому ученым приходится использовать нестандартные подходы — например, выращивать кристаллы в космосе, где им не мешает земная гравитация. Но некоторые вещества не поддаются кристаллизации и в идеальных условиях или, что хуже, значительно меняют свою структуру в кристалле.

Для таких биомолекул у исследователей остаются в запасе менее точные методы — например, отмеченная в этом году Нобелевской премией криоэлектронная микроскопия. Но и у них есть свои ограничения.

Исследование Романа посвящено изучению структуры сравнительно небольших биомолекул. На фоне молекулы этанола или воды они покажутся гигантами, а на фоне ДНК кишечной палочки — крохотными. Среди этих молекул — ДНК-аптамеры, короткие цепочки из десятков нуклеотидов (у первого секвенированного штамма кишечной палочки больше 4,6 миллиона оснований в ДНК). Интерес к этим молекулам связан с их способностью очень сильно связываться с некоторыми белками, даже сильнее, чем у антител к этим белкам. На этом построены некоторые перспективные методы «узнавания» раковых клеток в организме, целенаправленной борьбы с бактериями и обнаружения определенных белков на уровне одиночных молекул.

N + 1: Расскажите, что это за новый подход?

Роман Морячков: Это не сильно новая технология, здесь скорее имеет место объединение нескольких физических методов. Один — это малоугловое рентгеновское рассеяние, оно определяет общую форму молекулы. Есть еще два вида спектроскопии, которые дают дополнительный характеристики молекулы: инфракрасная спектроскопия и спектроскопия комбинационного рассеяния света. Мы хотим использовать все три комплементарных метода вместе, чтобы уточнить структуру, полученную методом рентгеновского рассеяния. Может быть даже присоединится что-то еще.

С рентгеновским рассеянием все понятно. А что помогает увидеть спектроскопия? Ведь рамановская спектроскопия показывает колебания связей.

Можно узнать, какие связи есть в молекуле и на каких расстояниях примерно находятся атомы в конкретной связи. А так как мы уже знаем общую форму молекулы из рентгеновского рассеяния, то мы как раз можем уточнить положение некоторых связей, это как дополнительные линейки внутри. А затем мы можем восстановить на компьютере уже всю модель с точностью практически до атома.

А для чего подойдет ваш метод? Аморфные белки, кристаллы?

«Фишка» как раз в том, что наш метод работает для молекул в растворах. Кристаллографией занимаются давно, с помощью нее, собственно, и выясняют структуры белков. Наши образцы — это, в основном, одноцепочечные молекулы ДНК. Две цепочки легко собираются в спираль, их можно кристаллизовать. Одноцепочечную ДНК очень редко получается собрать в кристалл. Есть, например, работы по кристаллизации таких молекул вместе с белком. Они образуют очень сложную периодическую структуру. Это бывает делом почти всей жизни для ученого — собрать такой кристалл белка.

Растворами белков активно занимаются в Европейской медикобиологической лаборатории, у нас — в Курчатовском институте. А мы приступили к изучению ДНК-аптамеров, разработка лекарств на их основе — это перспективное направление. В наших планах —понять, за счет чего они работают. Биологи знают, что они работают, знают, с какой силой эти аптамеры связываются с белками, а за счет чего — непонятно. Мы хотим научиться понимать, какими именно сайтами (частями молекулы) они друг с другом взаимодействуют и за счет каких химических связей. А в перспективе хотелось бы научиться моделировать поверхности молекулы ДНК под любой требуемый белок.

Это, конечно, далекая перспектива. Сначала нам хотя бы надо узнать, как работают те или иные части поверхности молекул (сайты).

Насколько я знаю, есть разные подходы, которые позволяют исследовать такое теоретически. Та же квантовая химия.

Да, тут и биоинформатика подключается. Нам хочется перевести разработку аптамеров из простого перебора огромного количества молекул (квадриллионов, из которых будут выбраны две-три молекулы).

В будущем это будет использование компьютерных мощностей, которые будут in silica подбирать нужные молекулы. Потом, конечно же, потребуются биологические исследования. В любом случае, в основе этого будет лежать компьютерное моделирование.

Вы смотрите на форму молекул с помощью малоуглового рентгеновского рассеяния. Но есть еще один метод исследования одиночных молекул — криоэлектронная микроскопия, за него еще в этом году Нобелевскую премию дали. Планируете его использовать?

Мы, конечно, хотели бы, но у криоэлектронной микроскопии есть ограничения по массе и размерам молекул снизу. Лучше всего она работает с массой порядка мегадальтона и выше [больше тысячи нуклеотидов]. Это очень большие белки и молекулы ДНК. А мы работаем с частицами, масса которых даже не 100 килодальтон, а десятки килодальтон — 15, 30, 40 нуклеотидов. Они выглядят просто шумами в криоэлектронной микроскопии. Контраста не хватит.

Понятно. А как вы обрабатываете спектры? Если представить себе инфракрасный спектр с молекулы ДНК, то в нем будет огромный лес из пиков, ведь в молекуле сотни связей.

Ученые научились вытаскивать из этого информацию и находить связи определенных нуклеотидов. Это связи в определенных петлях, шпильках и других структурах, возникающих в ДНК. Часто нам помогает спектроскопия комбинационного рассеяния.

Еще у нас в планах воспользоваться лазером на свободных электронах (X-FEL) , открывшимся недавно. На нем можно делать молекулярную дифракцию. Но опять же, у нас очень маленькие молекулы, не знаем, получится или нет. Мы уже подали заявку, попробуем. Но, может быть, в нашу работу включится работа на X-FEL, тогда дело пойдет быстрее.

А используете ли вы нейросети?

Пока мы на этапе научно-исследовательской работы, у нас нет полного комплекта программного обеспечения. У нас есть первоначальные эксперименты — мы получаем структуры и пытаемся их уточнять. Вот, например, есть у молекулы ДНК-аптамера несколько доменов — она может заворачиваться в квадруплекс или в дуплекс. А есть некомплементарные части. Нам пока малоугловым рассеянием не видно, в каком положении они находятся, а они играют почти ключевую роль в том, как ДНК связывается с белком.

У нас уже есть соответствующие наработки, мы понемногу набираем теоретические знания. Сейчас мы хотим подтвердить, что два комплементарных метода (спектроскопия и рентгеновское рассеяние) могут дать нам эту информацию, и тогда мы построим полноценную структуру молекулы. Мы к этому приближаемся. У нас есть уже структуры, но не настолько точные, как получаемые рентгеновской кристаллографией.

А какие еще методы вы хотите добавить к спектроскопии и рентгеновскому рассеянию?

Есть несколько идей. Вот, к примеру, кроме малоуглового рентгеновского рассеяния, которое исследуют на синхротронах, есть еще малоугловое нейтронное рассеяние. Вместо квантов рентгеновского излучения здесь рассеивается пучок нейтронов. Но для этого нужно вводить изотопы, на которых будут рассеиваться нейтроны, например, дейтерировать воду. Другим будет сечение рассеяния, но в целом механика обработки эксперимента точно та же. Зато мы получим немного другую информацию о структуре молекул.

Плюс к тому хочется использовать ядерный магнитный резонанс (ЯМР-спектроскопия), но здесь тоже требуется изотопирование и финансирование на это.

В последнее время читаю новости — люди умирают от рака, в том числе известные. Думаю — надо работать быстрее, мы ведь можем помочь в борьбе с этим.

Хочется спросить вас про конкурс ВИК.Нано. Как вы считаете, полезно было участвовать, чего ожидаете от поездки в Лёвен? Помогут ли вебинары и работа со специалистами по коммерческой части разработок?

Это дает новый взгляд на работу, словно бы мы встраиваемся в коммерческий мир планеты. Мы уже смотрим не только на научную составляющую, но и на то, как пустить нашу разработку в производство. В нашем случае — это внедрить ее в фармацевтику и работу биологических компаний. Мы можем помочь индустрии, не отходя от научных изысканий.

Курсы, которые нам читали, довольно общие, хотя и связанные с научно-технологической частью: патентование, защита интеллектуальной собственности. Это все вкладывается в багаж знаний. А он точно пригодится.

Я надеюсь, что поездка в Лёвен будет интересной — не совсем моя тематика, но просто посмотреть как устроено производство за рубежом будет хорошим опытом.

А какие работы других участников понравились?

Была одна работа по изучению размеров частиц с помощью светового рассеяния. Это близко к моей части, я так посмотрел, что мы могли бы даже сотрудничать.

Еще одна родственная по тематике работа — связанная с медициной, про зубные пасты. Там нанопорошки, может им тоже надо определять форму частиц, которые участвуют в процессах. Здесь как на конференции — хочется найти полезные контакты для себя.

На самом деле все проекты довольно интересные. Со всей России собираются люди, которые чем-то увлечены. Они здесь не просто так— они уже многое прошли.

Беседовал Владимир Королёв