Новый метод анализа белковых молекул при помощи рентгеновского излучения Pepsi-SAXS работает от пяти до 50 раз быстрее аналогов. В основе метода — расчет кривых рассеяния X-лучей. Результаты исследования ученых из Университета Гренобля и МФТИ опубликованы Международным союзом кристаллографии в журнале Acta Crystallographica.

Для изучения белков из-за их небольшого — порядка нескольких нанометров — размера приходится изобретать необычные методы, поскольку любое воздействие может разрушить образец или изменить его свойства. Знание о структуре биомолекул и о механизмах их работы позволяет разрабатывать новые лекарства не методом проб и ошибок, а основываясь на рациональной базе. Одним из способов изучения является анализ отраженных от белка рентгеновских лучей, что позволяет изучить атомные размеры, порядка 1/10000 микрона.

Андрей Казеннов, соавтор работы, аспирант МФТИ, комментирует:

««Pepsi-SAXS» расшифровывается как «Polynomial expansions of protein structures and interactions’ Small-angle X-ray Scattering» — адаптивный метод для быстрого и точного вычисления малоугловых профилей рентгеновского рассеяния. «Pepsi-SAXS» может подстраиваться под размер анализируемого образца и точность экспериментальных данных».

Малоугловое рассеяние рентгеновских лучей (SAXS) — это тип малоуглового рассеяния, в котором рентгеновское излучение рассеивается от образца и затем собирается под очень малыми углами. Получается график зависимости интенсивности рассеяния от угла падения. На основе этого графика проводится сравнительный анализ с экспериментальной базой образцов, и затем делается вывод о структуре и свойствах исследуемого белка.

По сравнению с другими методами определения структуры, SAXS гораздо проще и дешевле. Для него не требуется долгой специальной подготовки образцов, заморозки или кристаллизации белковых соединений. Образцы измеряются прямо в растворе в функциональном состоянии. Таким образом серьезно улучшается достоверность результатов, поскольку при проведении подготовки образец может менять свое состояние и свойства. Еще одним очень важным преимуществом метода является то, что разрушительное воздействие рентгеновских лучей на экспериментальный образец незначительно. Но до недавнего времени методы SAXS обладали существенным недостатком — сложностью вычислений, сильно ограничивающей количество экспериментов. На обработку данных только одного эксперимента уходило порядка десяти часов.

Сергей Грудинин, руководитель исследования:

«Метод был проверен на большой выборке данных, собранных из двух крупнейших биологических баз данных, BioIsis и SASBDB. Мы продемонстрировали, что «Pepsi-SAXS» работает от 5 до 50 раз быстрее, чем ранее применяемые методы CRYSOL, FoXS и трехмерный метод Цернике в SAStbx. При этом «Pepsi-SAXS» не только не уступает им в точности, а даже выигрывает».

Работа методов на образце SASDAW3. Пресс-служба МФТИ

На рисунке 1 представлены результаты одной из серий экспериментов — сравнение работы различных применяемых на сегодня методов расчета на образце SASDAW3 из базы данных SASBDB. На графике показана средняя интенсивность рассеяния от угла рассеяния. Стоит заметить, что ошибка расчётной модели χ2 имеет наименьшее значение у модели «Pepsi-SAXS», что доказывает ее высокую точность.

Изучение белковых соединений имеет фундаментальное значение для познания процессов жизнедеятельности живых организмов, создания лекарств и методов лечения болезней, а также получения новых органических материалов вплоть до выращивания искусственных органов. С новым изобретением наших учёных работы по этим направлениям смогут происходить в 50 раз быстрее.