В середине XX века с помощью рентгеновских лучей ученые открыли спиральную структуру ДНК. Сейчас последнее слово техники в использовании рентгеновского излучения для исследования материи — лазеры на свободных электронах, в частности European XFEL, строящийся в Германии при значительном участии России. Как такие лазеры помогают исследовать структуры одних из самых важных рецепторов в нашем организме и каким образом это может привести к созданию новых лекарств, корреспонденту портала «Научная Россия» рассказал Вадим Черезов, руководитель Лаборатории структурной биологии рецепторов, сопряженных с G-белком, в МФТИ, который посвятил возможностям лазеров на свободных электронах свое выступление на конференции «Structure and functions of biomembranes 2014».
Рентгеновские лазеры на свободных электронах превосходят другие источники рентгеновского излучения, позволяя «просвечивать» образцы очень малого размера, импульсами, продолжительность которых исчисляется фемтосекундами (10−15 секунды), что позволяет избежать радиационного повреждения образцов. Излучение в таких установках генерируют электроны, которые двигаются с большой скоростью по траекториям, искривленным магнитным полем.
В настоящее время в мире работают два лазера на свободных электронах — в Стэнфордском университете в США и в Институте физико-химических исследований RIKEN в Японии. Еще одна установка будет построена в Гамбурге в 2017 году. Россия принимает участие в этом проекте, вкладывая в него около 30% финансирования.
У гамбургского лазера по сравнению с уже действующими установками будет более интенсивный пучок электронов, меньшая длина волны, что позволяет получить более высокое разрешение, и большее количество импульсов в секунду. Так, например, лазер в Стэнфорде дает 120 импульсов в секунду, а гамбургский будет выдавать 27 тыс. импульсов в секунду, что позволит существенно быстрее собирать данные, а значит заметно уменьшить эффект наблюдателя.
Вадим Черезов и его коллеги сейчас используют лазер на свободных электронах в Стэнфорде для изучения трехмерной структуры рецепторов, сопряженных с G-белком. Эти рецепторы составляют большое семейство, представители которого участвуют во многих важных процессах жизнедеятельности организма, таких, например, как зрение, обоняние, работа сердца и центральной нервной системы.
«Рецепторы, которые мы изучаем, при кристаллизации дают кристаллы в несколько микрон. При этом лазер на свободных электронах позволяет исследовать их при комнатной температуре, в то время как на синхротронах их всегда замораживают, чтобы уменьшить радиационные повреждения», — поясняет Черезов.
Рецепторы, сопряженные с G-белком, являются мишенью для 40% современных лекарств. Знание их структуры позволяет заранее предсказать, какое химическое вещество будет действовать на определенный рецептор нужным образом, что существенно ускоряет и удешевляет разработку препаратов.
«Лазеры на свободных электронах также позволяют наблюдать конформационные изменения. Когда рецептор связывается с сигнальной молекулой, он переходит из неактивного в активное состояние. Мы знаем его структуру в обоих состояниях, но не знаем, как происходит этот переход. При этом на промежуточных стадиях процесс невозможно зафиксировать, только наблюдать в реальном времени. Лазеры на свободных электронах дают возможность сначала инициировать переход при помощи, например, фотоактивируемых молекул, а затем "заснять" переходный момент. Если таким образом сделать несколько снимков на разных стадиях перехода, то можно восстановить процесс конформационных изменений. Это может нам дать более глубокие знания о том, как происходит активация рецепторов и передача сигнала внутрь клетки, и таким образом позволит целенаправленно разрабатывать молекулы с заданными свойствами», — рассказывает ученый.
Фото: European XFEL/ DESY 2014
