Зачем на МКС выращивают идеальные биокристаллы

На утро 25 июня намечено возвращение с МКС контейнера с выращенными в космосе биокристаллами. Их исследование поможет ученым Курчатовского института в создании более эффективных лекарств, воздействующих на вирусы и бактерии на молекулярном уровне. На Земле кристаллы изучат с помощью метода рентгеноструктурного анализа.

Стремление к идеалу

Лекарства, воздействующие на структуру патогенных бактерий и вирусов, считаются на данный момент одними из самых эффективных. Чтобы создать такие препараты, необходимо детально исследовать структуры биомолекул, отвечающих за жизнедеятельность бактерий и вирусов.

— Молекулы белков представляют собой мишени для лекарственных средств, — рассказала главный научный сотрудник отдела структурной биологии Курчатовского комплекса НБИКС-природоподобных технологий Инна Куранова. — Терапевтическое действие большинства препаратов основано на том, что, взаимодействуя с определенными биомолекулами, они прекращают или усиливают реакцию, которую белок катализирует в бактерии или вирусе. Если белок, необходимый для жизнедеятельности бактерии или вируса, перестает работать, болезнетворный организм погибает. Чтобы создать лекарственный препарат, избирательно действующий на такой белок, нужно детально изучить его строение.

Самый распространенный на сегодняшний день метод изучения структур биомолекул (белков) — рентгеноструктурный анализ. Объект просвечивают рентгеновскими лучами под разными углами, чтобы получить так называемую картину дифракции –– рассеяния рентгеновских лучей. Затем с помощью компьютерно-математических методов ученые обрабатывают картину дифракции и восстанавливают расположение конкретных атомов в молекуле. Но для применения рентгеноструктурного анализа необходим белок в кристаллической форме, в которой биомолекулы «упакованы» в упорядоченную трехмерную структуру с фиксированным положением атомов.

Чтобы получить совершенные кристаллы, ученые из Курчатовского института выращивают их в космосе. Кристаллы растут в специально подобранных растворах, действующих на белок таким образом, что его макромолекулы, объединяясь, образуют строго упорядоченную кристаллическую структуру. Подбор состава раствора, обеспечивающего необходимые физико-химические условия такой «реакции», осуществляет специальная автоматическая установка.

Космический рейс

— Чтобы получить идеальный кристалл, необходимо обеспечить к нему равномерный доступ вещества, — пояснила начальник отдела структурной биологии Курчатовского комплекса НБИКС-природоподобных технологий Валерия Самыгина. — На Земле этому препятствует гравитация. Поэтому мы отправляем белки в космос, где в условиях невесомости имеются почти идеальные условия для роста их кристаллов. Там молекулы могут встраиваться в кристалл равномерно со всех сторон. А чем совершеннее кристалл, тем выше точность, с которой мы определим структуру макромолекулы.

Перед отправкой на МКС ученые помещают белок и раствор в узкий контейнер длиной в детскую ладонь. Эти контейнеры размещают в термостате, который поддерживает постоянную температуру 20 ºС. Чтобы рост кристаллов не начался раньше времени, компоненты отделены друг от друга особым пористым гелем. Поэтому раствор начинает просачиваться к белку через строго выверенный промежуток времени.

В ходе текущего эксперимента планируется получить кристаллы белков, провоцирующих воспаление в организме термостабильных белков, которые можно использовать как биокатализаторы, а также кристаллы мутантных форм белка, что позволит удешевить производство инсулина.

Контейнеры были отправлены на МКС 4 апреля. 25 июня они должны вернуться на «Союз МС-11», после чего ученые смогут приступить к исследованию полученных структур.

Полезная невесомость

На основе проведенных прежде экспериментов биологи уже получили данные для разработки нового лекарства от туберкулеза, доказав эффективность выращивания белков именно в условиях невесомости.

С использованием кристаллов, выращенных в космосе, ученые исследовали пространственную структуру белка-мишени для создания антитуберкулезных препаратов — фермента из бактерии Mycobacterium tuberculosis. После проведения измерений с помощью рентгеновских лучей и последующей математической обработки полученных результатов была установлена пространственная структура свободного белка и его комплексов. Специалисты смогли наблюдать изменения в биомолекуле на нескольких последовательных стадиях «реакции». Полученные данные об атомарном строении белка на разных этапах реакции пригодны для синтеза антитуберкулезного препарата.

За цикл работ «Структурная биология макромолекул, значимых для биотехнологии и медицины» коллектив ученых из Курчатовского института (Валерия Самыгина, Инна Куранова и Владимир Попов) получили премию им. Е.С. Федорова. Эта премия присуждается раз в три года за выдающиеся научные работы, открытия и изобретения отделением физических наук РАН.

Валерия Самыгина и Инна Куранова также работают во ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН, а Владимир Попов –– в ФИЦ «Фундаментальные основы биотехнологий» РАН.