Вышла первая статья по результатам работы лазера XFEL. В ней описана структура трех белков

Микрокристаллы исследованной смеси белков, выделенных из семян канавалии

Marie Luise Grünbein et al./ Nature Communications, 2018

Опубликована первая научная статья о результатах, полученных с помощью XFEL — сверхмощного рентгеновского лазера на свободных электронах в Гамбурге, построенного с участием России. Биофизики с помощью фемтосекундных рентгеновских импульсов частотой около одного мегагерца определили трехмерную структуру белков лизоцима и конканавалинов A и B. Высокоэнергетические импульсы такой частоты впервые были использованы для кристаллографических исследований, и в будущем этот подход планируют использовать для разработки новых лекарственных препаратов, пишут ученые в Nature Communications.

Европейский рентгеновский лазер на свободных электронах (XFEL) начал работать около года назад, 1 сентября 2017 года. Эта  установка длиной около 3,4 километра расположена в системе подземных тоннелей в окрестностях Гамбурга и предназначена для получения фемтосекундных рентгеновских импульсов высокой интенсивности. Строительство лазера началось еще в 2009 году, в проекте участвовали 11 стран, но основную часть расходов взяли на себя Германия и Россия, которые выплатили 58 и 27 процентов от общего объема расходов соответственно. Первый пучок рентгеновского излучения был получен на XFEL весной 2017 года. По средней светимости этот лазер примерно на четыре порядка превосходит синхротрон, а по максималеьной светимости — на девять порядков. За счет очень высокой интенсивности излучения, с помощью него можно исследовать объекты, которые его очень слабо рассеивают, например очень небольшие кристаллы.

Теперь ученые опубликовали первую статью, результаты которой полностью получены с помощью этого лазера. Группа биофизиков из Германии, США, Франции, Австралии и Венгрии под руководством Илме Шлихтинг (Ilme Schlichting) из Института медицинских исследований Общества Макса Планка использовала рентгеновские импульсы длительностью около 50 фемтосекунд и частотой 1,128 мегагерца для исследования микрокристаллов лизоцима — фермента из класса гидролаз, который получают из куриных яиц. Обычные рентгеновские лазеры на свободных электронах, в которых нет сверхпроводящих предварительных ускорителей, могут генерировать лазерные импульсы лишь с частотой от 10 до 120 герц. На новой установке можно добиться в сто тысяч раз большей частоты, что позволяет значительно быстрее собрать необходимое количество кристаллографических данных, а также изучить динамические характеристики кристаллов.

Основная задача, которую пришлось решать ученым, — необходимость предотвратить разрушение кристалла, которое возможно из-за взаимодействия идущих друг за другом высокоэнергетических импульсов между собой. Перерыв между двумя последовательными импульсами при такой частоте меньше одной микросекунды, поэтому ударная волна от первого из них все еще распространяется по образцу в момент попадания на образец второго.

Оказалось, что избежать разрушения кристалла можно, если правильно подобрать параметры лазерного пучка. Так, при использовании пучка диаметром около 15 микрометров ударная волна от предыдущего импульса успевает покинуть область облучения, поэтому разрушения структуры кристалла удается избежать. Подтверждением работоспособности подхода стало совпадение данных, полученных при рассеянии первого импульса, с результатами измерений от всех последующих импульсов, чего не удавалось добиться при использовании рентгеновских пучков другого диаметра. Используемая энергия рентгеновского пучка в экспериментах составляла 7,47 и 9,22 килоэлектронвольта.

После отработки методики на кристаллах лизоцима ученые проанализировали смесь белков, выделенных из семян канавалии мечевидной (Canavalia ensiformis) — уреазы и конканавалинов A и B. В результате ученые определили трехмерную кристаллическую структуру обоих типов конканавалина, и наиболее точно — магний-содержащего конканавалина А, белка, способного избирательно связывать остатки углеводов на поверхности клеток или других белков.

Ученые отмечают, что получать таким образом необходимые данные о кристаллической структуре различных соединений удается значительно быстрее, чем на рентгеновских лазерах предыдущего поколения, при этом анализировать можно кристаллы совсем небольшого размера. В будущем такой анализ можно будет использовать для разработки новых лекарственных препаратов, говорят авторы исследования. В дальнейшем ученые планируют использовать лазер не только для проведения кристаллографических исследований, но также для изучения динамики отдельных молекул или изучения химических реакций на атомарном уровне.

Рентгеновские лазеры используют для построения трехмерных изображений не только атомов в кристаллах, но и макроскопических объектов. Для этого не нужны многокилометровые ускорители или синхротроны, а достаточно относительно компактных установок, которые можно уместить внутри одной лаборатории. Например, с помощью одной из таких установок физики получили трехмерное изображение тела небольшого насекомого.

Александр Дубов

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.