Дифракция на некачественных кристаллах помогла установить структуру биомолекул

Дифракция на некачественных кристаллах помогла установить структуру биомолекул

Немецкие исследователи научились устанавливать структуру биологических макромолекул на основе «некачественных» кристаллов и размытой дифракционной картины. Описание нового метода и опыта его первого применения авторы опубликовали в журнале Nature. Об их работе рассказывает и пресс–релиз синхротронного центра DESY.

Свойства и функции больших биомолекул определяются их пространственной формой, то есть структурой. Поэтому установление структуры с разрешением в несколько ангстрем, «с точностью до атома», можно считать ключевым этапом в понимании того, как макромолекула устроена и действует. Несмотря на целый ряд развитых сегодня методов, таких как ядерный магнитный резонанс, уже более полувека самым мощным из них остается рентгеноструктурный анализ. Получение белковых кристаллов и дифракция на них рентгеновских лучей позволяют установить структуру макромолекулы с разрешением, редко доступным другими путями.

Выращивание качественных кристаллов с максимально упорядоченно расположенными молекулами белков достаточно сложный процесс. Пока невозможно точно предсказать условия, при которых та или иная макромолекула будет кристаллизоваться, и действовать приходится методом проб и ошибок, а иногда подходящие условия найти вообще не удается. Многие кристаллы получаются несовершенными и дают размытую дифракционную картину, структуру по которой можно установить лишь с невысоким разрешением.

Кроме того, даже самая идеальная дифракционная картина содержит лишь информацию об амплитуде упавших на детектор волн – чем ярче пятно, тем выше пик – но не об их фазе, «отставании» одной волны от другой. Фазовая проблема в рамках классического рентгеноструктурного подхода считается нерешаемой в принципе, и часто для выяснения фазы приходится опираться на уже известную структуру похожего белка, или на отдельный ее элемент, или химически модифицировать сам белок, присоединяя к нему фрагмент с известной структурой. Лишь «наложив» эти данные на новые, удается «нащупать» фазу и приступить к расчетам структуры.

Метод, предложенный работающим в DESY профессором Генри Чэпменом (Henry Chapman), обещает решить обе описанные выше проблемы. Действительно, дифракционная картина, возникающая при рассеивании рентгеновских лучей на дефектном кристалле, в котором молекулы слегка смещены относительно упорядоченной решетчатой структуры, получается нечеткой. Лучи отклоняются на каждой молекуле слегка по-разному и не складываются в ярко выраженные пики. Эту «межпиковую» информацию можно рассматривать как шум, но Чэпмен с соавторами нашли способ использовать и ее.

Ученые указывают на предложенную еще в 1930-х формулу Паттерсона, которая позволяет рассчитать координаты атомов (электронных плотностей) в ячейке кристалла на основе лишь данных об амплитуде дифрагировавших на нем лучей, не имея информации по их фазам. Функция Паттерсона, действительно, применяется в некоторых случаях – например, для макромолекул, содержащих один тяжелый атом, наличие которого заметно влияет на дифракционную картину.

Немецкие ученые предложили рассматривать в качестве элементарной ячейки кристалла не набор упорядоченно расположенных молекул, а каждую из них по отдельности. Тогда небольшие смещения молекул друг относительно друга будут приводить к эффектам, которые описываются функцией Паттерсона. В результате размытая дифракционная картина на дефектном кристалле даст даже больше информации, чем самая идеальная дифракция.

Демонстрируя эффективность нового подхода, Чэпмен с коллегами получили кристаллы мембранного комплекса белков фотосистемы II. С помощью обычного наблюдения дифракционных пиков ученые установили его структуру с разрешением 4,5 ангстрем, а дополнение этой информации междупиковыми данными «рассеянной» дифракции позволило повысить разрешение до 3,5 ангстрем.

Роман Фишман

N+1

Похожие новости:
Ученые создали новые кристаллы компьютерной памяти
Получены кристаллы, которые могут открыть новую эру в индустрии компьютерной памяти. Они недороги, просты в производстве и, главное, проявляют нужные свойства при комнатной температуре. Класс органических материалов, полученных в лабораториях Северо-Западного университета Иллинойса (США), открывает новые, захватывающие дух возможности ..
2012-09-2 1830 0 Научные открытия
0
Поглощенная звезда помогла установить массу черной дыры
Астрономы вычислили массу сверхмассивной черной дыры по периодичности излучения остатков поглощенной ей звезды. Работа опубликована в журнале Science, кратко о ее содержании пишет ScienceNow. Исследователи проанализировали излучение от гамма вспышки Swift J1644+57, зафиксированной в конце марта 2011 года. ..
2012-08-3 2034 0 Научные открытия
0
Физики впервые проследили за движением экситонов
Ученые Массачусетского технологического института (МТИ) и Городского университета Нью-Йорка создали технику визуализации движения экситонов. Свое исследование авторы опубликовали в журнале Nature Communications, а его краткое содержание доступно на сайте МТИ. Исследователи использовали взаимосвязь между переносом экситонов ..
2014-04-17 1815 0 Научные открытия
0
Физики увидели предсказанные в 1929 году безмассовые фермионы
Физики сообщили об экспериментальном открытии так называемых фермионов Германа Вейля. Их существование было теоретически предсказано немецким физиком в 1929 году, а квазичастицы ученые обнаружили в ходе экспериментов с кристаллами. Результаты своих исследований ученые опубликовали в журнале Science. Вейлевские квазичастицы ..
2015-07-18 6771 0 Научные открытия
0
Геологи определили начало движения земной коры
Геологи провели изотопный анализ старейших кристаллов циркона из Гренландии и установили предполагаемое время начала тектонической активности литосферных плит. По словам ученых, движение земной коры стартовало 3,2 миллиарда лет назад. Работа опубликована в журнале Nature, ее краткое содержание ..
2012-06-2 1905 0 Научные открытия
0
Крупнейшие обсерватории впервые объединили усилия по поиску гравитационных волн
Европейская гравитационная обсерватория Virgo 1 августа 2017 года начала поиск гравитационных волн, присоединившись к двум детекторам американского эксперимента LIGO. Теперь в случае фиксации гравитационной волны всеми тремя приборами ученые смогут точно установить координаты ..
2017-08-02 22636 0 Научные открытия
0
Геометрия помогла определить степень квантовой запутанности
Физики из Ноттингемского университета в Великобритании предложили простой геометрический способ определения степени запутанности двух, трех или четырех кубитов — квантовых аналогов классических битов. Исследование авторы опубликовали в журнале Physical Review Letters, а кратко о нем сообщается на сайте Phys.org.Ученые ..
2016-02-23 2060 0 Научные открытия
1
Магнитостатическая червоточина помогла физикам увидеть монополь Дирака
Физики из Испании при помощи созданной ими магнитостатической червоточины смогли увидеть аналог предсказанного в 1931 году английским физиком-теоретиком Полем Дираком магнитного монополя. Результаты своих исследований авторы опубликовали в журнале Scientific Reports, а кратко о работе ученых сообщается ..
2015-08-22 5051 0 Научные открытия
0
В хромосомах человека обнаружена 4-спиральная ДНК
Исследователи из Британии обнаружили в человеческих хромосомах функциональную четырехспиральную форму ДНК. Анализ был опубликован в журнале Nature Chemistry, а ее резюме можно прочитать в Nature News. Открытие удалось сделать благодаря использованию помеченных флюресцентными красителями антител, которые связываются ..
2013-01-21 3644 0 Научные открытия
1
Нобелевскую премию по физике вручат за топологические фазовые переходы
Нобелевской премии по физике за 2016 год удостоятся Дэвид Таулес, Дункан Халдейн и Джон Костерлиц «за теоретические открытия топологических фазовых переходов и топологических фаз материи». Об этом сообщается на сайте премии.Физик-теоретик Таулес из Вашингтонского университета, Холдейн — из Принстонского, а Костерлиц — из Брауновского. Исследования ..
2016-10-04 1680 0 Научные открытия
0
В хромосомах человека обнаружена четырехспиральная ДНК
Британские исследователи обнаружили в хромосомах человека функциональную четырехспиральную форму ДНК. Работа опубликована в журнале Nature Chemistry, а ее краткое содержание можно прочитать в Nature News. Открытие удалось совершить благодаря использованию помеченных флюресцентными красителями антител, которые связываются ..
2013-01-21 1763 0 Научные открытия
0
Физики впервые увидели танцы электронов в молекуле
Впервые учёным удалось сфотографировать "танцы электронов" внутри молекулы. Разглядеть "объекты" на микроуровне исследователям помогла комбинация нескольких методов съёмки, пишет BBC News. Революционный прорыв совершили специалисты швейцарского исследовательского подразделения IBM (IBM Research Zurich), которые ранее ..
2012-02-27 3226 0 Научные открытия
0
Рождение квазикристаллов в метеоритах воспроизвели в лаборатории
Геохимики из США и Италии под руководством Пола Асимова из Калифорнийского технологического института нашли свидетельства того, что квазикристаллы могут возникать в результате столкновений астероидов. Лабораторный эксперимент объясняет возможное происхождение двух известных квазикристаллов, найденных на Земле. Оба они были частью метеорита ..
2016-06-15 1497 0 Научные открытия
0
Российские учёные открыли ранее неизвестное явление природы
Явление, ранее не известное в природе и даже не предсказанное теоретически, обнаружили российские учёные. Открытие, уже признанное сенсационным, обещает настоящий переворот в фармакологии и медицине. Оказывается, лекарственные вещества могут быть эффективными в сверхнизких дозах. А значит можно создать эффективные ..
2012-12-12 2667 2 Научные открытия
0
Стволовые клетки рассказали о мозаицизме генома
Биологи Йельского университета показали, что соматический мозаицизм распространен гораздо шире, чем считалось ранее. Оказалось, что у трети клеток кожи человека в ДНК имеются делеции или повторы. Работа опубликована в журнале Nature, а ее краткое содержание приводится на сайте университета. Для того, чтобы ..
2012-11-20 1625 0 Научные открытия
0