Ничего общего с газировкой
3 мин чтения
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!

Читайте нас в мобильном приложении

Если у Вас возник вопрос по материалу, то Вы можете задать его специальной рубрике Задать вопрос 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»
Подписывайтесь на канал rusplt.ru в Яндекс.Дзен
Подписывайтесь на канал rusplt в Дзен
Комментарии
Авторизуйтесь чтобы оставлять комментарии.
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!