Группа биофизиков из Московского физико-технического института совместно с коллегами из Германии, Франции и США обнаружила, что мембранные белки бактериородопсины во время кристаллизации ведут себя словно «каннибалы». Рост крупных кристаллов происходит за счет «пожирания» более мелких кристаллов вокруг себя. Так же ученые установили, что кристаллизация бактериородопсина вспециальной среде происходит неслучайным образом – она всегда имеет паттерн, напоминающий по форме пчелиные соты. Работа опубликована в журнале Crystal Growth&Design.

Бактериородопсины – это светочувствительные мембранные белки архей (Archaea), напоминающие родопсин в палочках сетчатки глаз. Мембранные белки, как следует из их названия,находятся на поверхности клеточных мембран. Их главной особенностью является способность передавать различные вещества сквозь мембрану внутрь клетки (и наоборот), в том числе и различные химические сигналы, запускающие те или иные процессы в клетке. Второе важнейшее свойство этих белков – они не растворяются в воде и вне клеточной мембраны склонны к денатурации (разрушению третичной и вторичной структуры белка), поэтому, чтобы добиться их кристаллизации, необходима особая среда, напоминающая липидную мембрану клеток.

На изображении видно, что вокруг крупного кристалла (большая красная точка по центру) встречаются только очень мелкие кристаллы. Изображение: Valentin Borshchevskiy et als. / Crystal Growth&Design

В новой работе российские ученые применили особый тип среды – липидную кубическую фазу. Она не дает белкам денатурировать и, одновременно, они могут свободно перемещаться внутри нее, «пробираясь» к растущему кристаллу. Также биофизики подобрали ряд необходимых химических компонентов и их концентрацию, «побуждающую» белки к процессу кристаллизации.

Далее исследователи, используя метод флюоресцентной микроскопии стали наблюдать за ростом кристаллов. Оказалось, в течение первых дней кристаллы образуются на всей поверхности среды достаточно равномерно. Однако уже спустя неделю можно было наблюдать более крупные кристаллы белков, окруженные «пустошами», в которых можно было встретить только очень маленькие кристаллы. Каждая такая «пустошь» имела четко очерченные границы, за пределами которых вновь можно встретить более крупные кристаллы.

На основании этих наблюдений биофизики пришли к выводу, что в процессе кристаллизации белков бактериородопсинов, наиболее крупные кристаллам не хватает материалов для роста из раствора и они начинают «поглощать» своих мелких собратьев, однако, вероятно, эта «тактика» роста действует только ограниченное время.

Другим интересным наблюдением стал тот факт, что кристаллизация в среде идет по границам областей, по форме напоминающим пчелиные соты. Почему так происходит, ученые пока не понимают, однако предполагают, что это связано с неодноростями в липидной кубической фазе. Если это действительно так, то исследователи получат в свои руки инструмент для контроля размеров получаемых кристаллов (смогут увеличить их размер).

Процесс роста крупных кристаллов за счет более мелких называется Оствальдовским созреванием или переконденсацией. Он связан с большей растворимостью вещества в небольших кристаллитах по сравнению с их крупными собратьями. Впервые процесс был описан в водных растворах в 1896 году Вильгельмом Оствальдом, однако, впоследствии, явление наблюдалось и в гелевых системах и твердых растворах.

Кристаллизация мембранных белков используется для изучения их структуры. Крупные кристаллы белков изучаются с помощью методов рентгенокристалографии, позволяющих по картине рассеяния излучения очень точно определить их молекулярную структуру. В свою очередь, зная структуру белка можно значительно ускорить и удешевить процесс производства лекарств (60 процентов лекарственных препаратов используют мембранные белки в качестве мишени), посредством компьютерного подбора молекул, которые смогут с ними взаимодействовать. Поэтому разработка новых технологий кристаллизации и сопутствующих ей закономерностей в настоящий момент являются одной из наиболее растущих областей исследований в биофизике.

Автор: Даниил Кузнецов