Дифракция на некачественных кристаллах помогла установить структуру биомолекул

Немецкие исследователи научились устанавливать структуру биологических макромолекул на основе «некачественных» кристаллов и размытой дифракционной картины. Описание нового метода и опыта его первого применения авторы опубликовали в журнале Nature. Об их работе рассказывает и пресс–релиз синхротронного центра DESY.
Свойства и функции больших биомолекул определяются их пространственной формой, то есть структурой. Поэтому установление структуры с разрешением в несколько ангстрем, «с точностью до атома», можно считать ключевым этапом в понимании того, как макромолекула устроена и действует. Несмотря на целый ряд развитых сегодня методов, таких как ядерный магнитный резонанс, уже более полувека самым мощным из них остается рентгеноструктурный анализ. Получение белковых кристаллов и дифракция на них рентгеновских лучей позволяют установить структуру макромолекулы с разрешением, редко доступным другими путями.
Выращивание качественных кристаллов с максимально упорядоченно расположенными молекулами белков достаточно сложный процесс. Пока невозможно точно предсказать условия, при которых та или иная макромолекула будет кристаллизоваться, и действовать приходится методом проб и ошибок, а иногда подходящие условия найти вообще не удается. Многие кристаллы получаются несовершенными и дают размытую дифракционную картину, структуру по которой можно установить лишь с невысоким разрешением.

Кроме того, даже самая идеальная дифракционная картина содержит лишь информацию об амплитуде упавших на детектор волн – чем ярче пятно, тем выше пик – но не об их фазе, «отставании» одной волны от другой. Фазовая проблема в рамках классического рентгеноструктурного подхода считается нерешаемой в принципе, и часто для выяснения фазы приходится опираться на уже известную структуру похожего белка, или на отдельный ее элемент, или химически модифицировать сам белок, присоединяя к нему фрагмент с известной структурой. Лишь «наложив» эти данные на новые, удается «нащупать» фазу и приступить к расчетам структуры.

Метод, предложенный работающим в DESY профессором Генри Чэпменом (Henry Chapman), обещает решить обе описанные выше проблемы. Действительно, дифракционная картина, возникающая при рассеивании рентгеновских лучей на дефектном кристалле, в котором молекулы слегка смещены относительно упорядоченной решетчатой структуры, получается нечеткой. Лучи отклоняются на каждой молекуле слегка по-разному и не складываются в ярко выраженные пики. Эту «межпиковую» информацию можно рассматривать как шум, но Чэпмен с соавторами нашли способ использовать и ее.
Ученые указывают на предложенную еще в 1930-х формулу Паттерсона, которая позволяет рассчитать координаты атомов (электронных плотностей) в ячейке кристалла на основе лишь данных об амплитуде дифрагировавших на нем лучей, не имея информации по их фазам. Функция Паттерсона, действительно, применяется в некоторых случаях – например, для макромолекул, содержащих один тяжелый атом, наличие которого заметно влияет на дифракционную картину.
Немецкие ученые предложили рассматривать в качестве элементарной ячейки кристалла не набор упорядоченно расположенных молекул, а каждую из них по отдельности. Тогда небольшие смещения молекул друг относительно друга будут приводить к эффектам, которые описываются функцией Паттерсона. В результате размытая дифракционная картина на дефектном кристалле даст даже больше информации, чем самая идеальная дифракция.
Демонстрируя эффективность нового подхода, Чэпмен с коллегами получили кристаллы мембранного комплекса белков фотосистемы II. С помощью обычного наблюдения дифракционных пиков ученые установили его структуру с разрешением 4,5 ангстрем, а дополнение этой информации междупиковыми данными «рассеянной» дифракции позволило повысить разрешение до 3,5 ангстрем.

Роман Фишман

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
Научное издательство Microbiology Society приостановило публикацию статей из России

Британское Микробиологическое общество (Microbiology Society), которое выпускает пять научных журналов, объявило, что останавливает работу со статьями, при подготовке которых использовалось российское бюджетное финансирование или с участием авторов, аффилированных с организациями, публично поддержавшими боевые действия на территории Украины. Эта пауза продлится до момента, когда украинские микробиологи смогут безопасно продолжить работу, говорится в заявлении совета общества.