Международной группе учёных впервые удалось закристаллизовать ключевой фермент патогена африканского трипаносомоза (сонная болезнь) внутри живой клетки и изучить его с помощью самого мощного в мире рентгеновского лазера.

Ожидается, что апробированный метод откроет новые пути к изучению структур биологических молекул. В случае с африканской сонной болезнью, которой инфицированы по крайней мере 60 млн африканцев, он способен помочь в нахождении эффективного подхода к борьбе с паразитом Trypanosoma brucei.

Рис. 1. Trypanosoma brucei, путешествующая среди красных кровяных телец (иллюстрация John Bavosi / Science Photo Library).

3D-структуры биологических молекул дают биологам информацию об их основных свойствах и особенностях функционирования и, как в случае с патогенами, предлагают наиболее выгодные пути блокирования опасных протеинов с помощью малых молекул, синтезированных «под заказ».

Например, если фермент «катепсин В» патогена Trypanosoma brucei блокирован — паразит умирает. Но структурный анализ биомолекул — дело довольно тяжёлое, требующее больших трудозатрат. К тому же чаще всего, прежде чем переходить к структурному анализу с использованием рентгеновского излучения (источником которого обычно является синхротрон), сначала нужно вырастить достаточно большой кристалл протеина в лабораторных условиях. На это может уйти от нескольких дней до месяцев.

Вот почему команда учёных, в которую входили представители Тюбингенского, Гамбургского и Любекского университетов, а также специалисты гамбургского Немецкого электронно-синхротронного центра (DESY) (все — Германия), избрала другой подход к решению структурной задачи. С помощью вируса исследователям удалось поместить генетический эскиз «катепсина В» в живой клетке насекомого. Инфицированная клетка была вынуждена начать безостановочное воспроизведения фермента, что привело к постоянному росту его концентрации, за которым последовала кристаллизация. Примерно через 70 часов кристаллы микрометрового размера стали видны в микроскоп; некоторые из них буквально выпирали из клетки.

Затем кристаллы изучались с использованием самого мощного в мире рентгеновского лазера LCLS (Linac Coherent Light Source), находящегося в ускорительном центре SLAC (Калифорния, США). И хотя высокоинтенсивное излучение испаряло кристаллы менее чем за миллиардные доли секунды (!), яркость вспышки была такова, что и этого времени хватило для выяснения детализированной дифракционной картины кристалла, что в свою очередь сделало возможным расчёт всей кристаллической структуры фермента. (К сожалению, для получения полной структурной информации эксперимент необходимо повторить множество раз, используя для этого слишком много кристаллов, что, впрочем, уже выходило за рамки данной работы, задача которой — просто продемонстрировать возможности метода).

Таким образом, новая технология позволяет получать высококачественные данные о структуре протеинов в нанокристаллах (лишний раз напомним, что их размер шагнул в микронный диапазон, а это уже далеко не наноуровень, но для красного словца сойдёт).

Как подчёркивает профессор Генри Чапман из центра DESY, его команде удалось показать, что рентгеновские лазеры действительно способны совершить революционный переворот в структурной биологии (что и предсказывалось).

Существовавшие в кристаллографии протеинов ограничения отныне могут быть преодолены посредством пульсирующих рентгеновских лазеров такой интенсивности, что они трансформируют протеин в плотную плазму. При этом отдельные лазерные вспышки настолько коротки, что мелкие детали становятся видны ещё до разрушения образца.

О результатах работы учёные сообщают в статье:

Allison Doerr Diffraction before destruction. – Nature Methods. – Nature Methods. – 2011. – 8. – 283; doi:10.1038/nmeth0411–283; Published online 30 March 2011.