(R&D) – Белки являются строительным материалом для всего живого, и существует фактически неограниченное разнообразие их видов, большинство очень сложных структур которых еще не определено. Эти структуры могут стать ключом к разработке новых лекарственных средств или для понимания основных биологических процессов.
Но для выяснения строения атомов в этих сложных сложенных молекулах обычно требуется, чтобы они образовали кристаллы, достаточно крупные, чтобы их можно было изучать в подробностях, и для многих белков это или невозможно, или чрезвычайно трудно.
В настоящее время новый метод, разрабатываемый исследователями из Массачусетского технологического института (Massachusetts Institute of Technology, MIT) и других организаций, является очень многообещающим для получения изображений отдельных белков с очень высоким разрешением, несмотря на то, насколько сложной может быть их структура, и нет необходимости в кристаллизации. Результаты описаны в Physical Review Х Ашоком Аджоем (Ashok Ajoy), студентом–выпускником МIT, научным сотрудником Ульфом Биссбортом (Ulf Bissbort), доцентом по ядерной физике и технологии Паолой Каппелларо (Paola Cappellaro) и другими учеными из Массачусетского технологического института, Сингапурского университета технологии и проектирования (Singapore Univ. of Technology and Design) и Гарвардского университета.
В этом методе используются микроскопические дефекты внутри кристаллической структуры алмаза – дефекты, которые могут быть привнесены контролируемым образом в лабораторных условиях. Эти дефекты, называемые азотно-замещенными вакансиями или NV-центрами (nitrogen-vacancy, NV), возникают тогда, когда атомы азота вводятся в кристаллическую структуру, каждый их них замещая один атом углерода в идеальной решетке алмаза.
Такие решетки также могут включать естественные азотно-замещенные вакансии – изъяны, когда атом углерода отсутствует в своем обычном месте в решетке. Когда атом азота и вакансия встречаются, они образуют NV-центр, который может быть использован для обнаружения положения и свойств – в частности, спиновые состояния – фотонов и электронов в атомах, расположенных в непосредственной близости к нему.
Это достигается с помощью просвечивания светом лазера, который вызывает флуоресценцию азотно-замещенных вакансий. Зарегистрировав и проанализировав излучаемый свет, можно реконструировать подробности спина близлежащих частиц.
Возможность использовать NV-центры в алмазе появилась в последние несколько лет, говорит Аджой, и многие группы сейчас работают над тем, чтобы использовать их для применения в квантовых вычислениях и квантовой связи. Когда NV-центры расположены близко к поверхности алмаза – в нескольких нанометрах – они могут также использоваться для улавливания спиновых состояний частиц в молекуле, помещенной на поверхности. Тогда, в принципе, можно обнаружить и картировать отдельные атомы и их положение, выявляя структуру молекулы.
Идея заключается в том, чтобы «поместить биологическую молекулу на алмаз и попытаться определить ее структуру», - объясняет Аджой. У белков «структура и функции тесно взаимосвязаны»,- говорит он, поэтому возможность точного картирования этой структуры может помочь в понимании того, как протекают некоторые основные биологические процессы, и как можно разработать новые лекарственные средства, которые смогут взаимодействовать со специфическими молекулярными целями.
«Это может помочь в разработке того, что подойдет для размещения на [целевую молекулу] или около нее, или для блокирования ее, - говорит Аджой. - Первый шаг – познать структуру».
Попытки расшифровать структуру молекулы белков в основном основывались на рентгеновской кристаллографии, трансмиссионной электронной микроскопии или ядерно-магнитном резонансе. Но для всех этих методов требуются крупные объемы образца – например, для рентгеновской дифракции требуется агрегирование молекул в виде кристаллов, поэтому никакие из них не могут применяться для исследования отдельных молекул. Это в значительной мере ограничивает возможность применения таких методов.
«Существует много молекул, в которых это не получается, потому что невозможно вырастить кристаллы или их очень трудно выращивать, - говорит Аджой. – Для этих молекул наш метод может оказаться полезным, потому что не нужны кристаллы, нужна просто молекула».
Более того, если в других методах требуются особые условия, например, очень низкие температуры или вакуум, то с помощью этого нового метода «вероятно, можно будет определять структуру при комнатной температуре в комнатных условиях» - говорит он.
Пока работа еще теоретическая; следующий шаг, к которому группа уже приступила, включает получение фактических изображений на основе этого метода. «Мы начали создавать эту установку год назад, и мы провели предварительные эксперименты», - говорит Аджой. До фактических изображений молекул, вероятно, пройдет еще несколько лет, говорит он.
Источник: Массачусетский технологический институт
