Учёные Университета Гренобля и МФТИ создали новый метод анализа белковых молекул в растворе «Pepsi-SAXS», работающий от 5 до 50 раз быстрее, чем его аналоги.
Белки имеют сложную структуру и чрезвычайно маленький размер — порядка нескольких нанометров. Для их изучения 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 отражённых от белка рентгеновских лучей. Учёные используют именно рентгеновский, а не обычный свет, поскольку их интересуют атомные размеры, порядка 1/10000 микрона. Видимый свет — это чуть меньше микрона. Чтобы посмотреть на такие мелкие объекты, нужен свет с очень короткой длиной волны. Таким свойством как раз и обладают рентгеновские лучи.
«Метод „Pepsi-SAXS“ позволяет эффективно и высокоточно строить кривые рассеяния, а также анализировать трёхмерную структуру образца. К примеру, „Pepsi-SAXS“ позволяет повысить эффективность моделирования и предсказания трёхмерных структур макромолекул и многого другого», — объясняет студентка МФТИ Мария Гаркавенко, соавтор работы.
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. Не требуется долгой специальной подготовки образцов, заморозки или кристаллизации белковых соединений. Образцы измеряются прямо в растворе в функциональном состоянии. Таким образом серьёзно улучшается достоверность результатов, поскольку при проведении подготовки образец может менять своё состояние и свойства. Ещё 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 10 часов. В стандартном подходе количество вычислений прямо пропорционально квадрату числа молекул образца, а это число составляло более тысячи. Первая идея, позволяющая упростить расчёты, пришла к немецкому учёному Генриху Штурману в 70-е годы прошлого века. Он предложил описывать рассеяние от молекулярных соединений при помощи специальных сферических функций. Несмотря на то, что Штурману в силу отсутствия компьютеров приходилось вручную проводить расчёты на бумаге, уже тогда подход показал свою эффективность. Очень много в этой области было сделано выпускниками советской школы, в частности, Дмитрием Свергуном (сейчас работает в Гамбурге), кторый написал большой Пакет Atsas для всевозможных аспектов малоуглового рассеяния на биомолекулах. Эти наработки исследователи использовали в своей работе.
«„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», — рассказал аспирант МФТИАндрей Казённов, еще один соавтор исследования.
Дополнительно учёные создали эффективную модель водной оболочки анализируемых белковых соединений, что серьёзно улучшает точность результатов работы методики.
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 трёхмерный метод Цернике в SAStbx. При этом „Pepsi-SAXS“ не только не уступает им в точности, а даже выигрывает».
Особое внимание ученые уделили анализу получаемых результатов и их автоматическому сопоставлению с экспериментальными данными.
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.