Ничего общего с газировкой
Ничего общего с газировкой

Зато быстро, точно и очень показательно!

Ученые МФТИ под руководством Сергея Грудинина совместно с коллегами из Университета Гренобля разработали высокоэффективный метод расчета кривых рассеяния рентгеновских лучей для анализа белковых молекул в растворе Pepsi-SAXS, работающий от 5 до 50 раз быстрее, чем его аналоги. Результаты опубликованы Международным союзом кристаллографии в журнале Acta Crystallographica.

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 структуры биомолекул и механизмов их работы позволяет разрабатывать лекарства не методом проб и ошибок (иначе говоря, высокопроизводительным скринингом), а с помощью рационального подхода.

Один из способов изучения - анализ отраженных от белка рентгеновских лучей. Ученые используют именно рентгеновский, а не обычный свет, поскольку их интересуют атомные размеры порядка 1/10 000 микрометра (до 1967 года употреблялся термин «микрон»). Видимый свет — это чуть меньше микрометра («микрона»). Поэтому, чтобы увидеть настолько мелкие объекты, нужен свет с очень короткой длиной волны. Таким свойством как раз и обладают рентгеновские лучи!

Мария Гаркавенко, соавтор работы и студентка МФТИ, рассказывает: «Метод Pepsi-SAXS позволяет эффективно и с высокой точностью строить кривые рассеяния, а также анализировать трехмерную структуру образца. К примеру, Pepsi-SAXS позволяет повысить эффективность моделирования и предсказания трехмерных структур макромолекул, а также многого другого».

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, значительно повышается достоверность результатов, поскольку в процессе подготовки образец может менять свое состояние и свойства. Еще одно важное преимущество этого метода - разрушительное воздействие рентгеновских лучей на экспериментальный образец незначительно.

Однако еще недавно методы SAXS обладали существенным недостатком — сложностью вычислений, сильно ограничивавшей количество экспериментов. На обработку данных только одного эксперимента уходило порядка десяти часов! При стандартном подходе количество вычислений прямо пропорционально квадрату числа молекул образца, а это число составляет более тысячи. Первая идея, позволяющая упростить расчеты, пришла к немецкому ученому Генриху Штурману в 1970-е годы. Он предложил описывать рассеяние от молекулярных соединений при помощи специальных сферических функций.

Несмотря на то, что  Штурману в силу отсутствия компьютеров приходилось проводить расчеты вручную на бумаге, уже тогда этот подход показал свою эффективность. Очень много в этой области было сделано выпускниками советской научной школы, в частности, Дмитрием Свергуном (сейчас работает в Гамбурге), который написал большой «Пакет Atsas» для всевозможных аспектов малоуглового рассеяния на биомолекулах. Эти наработки исследователи и использовали в своей работе.

На графике показана средняя интенсивность рассеяния от угла рассеяния. Заметьте, что ошибка расчетной модели χ2 имеет наименьшее значение у модели Pepsi-SAXS, что доказывает ее высокую точность

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

Дополнительно ученые создали эффективную модель водной оболочки анализируемых белковых соединений, что серьезно улучшает точность результатов работы методики.

Сергей Грудинин, руководитель исследования, рассказывает: «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 применявшиеся методы CRYSOL, FoXS и трехмерный метод Цернике в SAStbx. При этом Pepsi-SAXS не только не уступает им в точности, но даже выигрывает!»

Помимо этого, особое внимание было уделено анализу получаемых результатов и их автоматическому сопоставлению с экспериментальными данными.

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

Закрыт «раннемеловой пробел» Далее в рубрике Закрыт «раннемеловой пробел»Палеонтологи нашли и описали ранее неизвестного плиозавра. Читайте в рубрике «Инновации» Станислав Протасов: «Технологии Acronis спасают миллионы»Сооснователь IT-гиганта представил в Технопарке МФТИ настоящий гоночный болид «Формулы-1» Станислав Протасов: «Технологии Acronis спасают миллионы»

Комментарии

Авторизуйтесь чтобы оставлять комментарии.
Интересное в интернете
80 000 подписчиков уже с нами!
Читайте «Русскую планету» в социальных сетях и участвуйте в дискуссиях
Каждую пятницу мы будем присылать вам сборник самых важных
и интересных материалов за неделю. Это того стоит.
Закрыть окно Вы успешно подписались на еженедельную рассылку лучших статей. Спасибо!
Станьте нашим читателем,
сделайте жизнь интереснее!
Помимо актуальной повестки дня, мы также публикуем:
аналитику, обзоры, интервью, исторические исследования.
личный кабинет
Спасибо, я уже читаю «Русскую Планету»