Учёные пролили новый свет на взаимодействие белков и солей
Исследователи из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) объединили теоретические и экспериментальные подходы, чтобы изучить наноструктуры в реальных условиях. Они получили представление о взаимодействии белка с простыми солями в воде. Это стало возможным благодаря программному обеспечению для моделирования рентгеновского поглощения, разработанному в Molecular Foundry лаборатории. Результаты проливают новый свет на то, как соли влияют на структуру белка на атомном уровне.
Традиционные кристаллографические методы, такие как рентгеноструктурный анализ (XRD), дают профиль упорядоченных материалов со статичной структурой. Однако для динамичных или сложных систем, где атомная структура быстро меняется, требуются более совершенные методы. Учёные из Berkeley Lab применили спектроскопию рентгеновского поглощения (XAS) для изучения модельного белка — триглицина (короткой цепочки из трёх молекул простейшей аминокислоты глицина). Смоделировав спектр поглощения рентгеновских лучей этой молекулы, команда показала, как её цепь изгибается и выпрямляется в ответ на присутствие ионов в растворе.
«Наблюдение за молекулой в растворе похоже на наблюдение за марионеткой — вы видите, как она изгибается в ответ на образование и разрыв водородных связей», — сказал Дэвид Прендергаст, сотрудник Theory of Nanostructures Facility в Molecular Foundry.
Конкретное знание о том, как ионы влияют на это поведение, получено с помощью моделирования молекулярной динамики, которое показывает устойчивые различия в структуре в наносекундных временных масштабах. На основе этих данных можно генерировать спектры рентгеновского поглощения, которые затем можно сравнивать с экспериментальными результатами.
В специализированном эксперименте по поглощению рентгеновских лучей, называемом NEXAFS (near edge x-ray absorption fine structure), рентгеновские лучи используются для исследования химических связей и окружения конкретных элементов в молекуле или наноструктуре, например, атомов азота в молекуле триглицина. В сочетании с технологией жидкой микроструи, разработанной в Berkeley Lab, NEXAFS ранее использовался для изучения того, как белки растворяются и кристаллизуются в присутствии различных ионов.
Программное обеспечение Прендергаста теперь может моделировать данные NEXAFS, усредняя серию «снимков», взятых из моделирования молекулярной динамики заданной молекулы. Этот инструмент критически важен для интерпретации данных NEXAFS от сложных динамических систем, так как время зондирования в этих измерениях слишком велико (секунды, а не наносекунды), чтобы выявить структурные различия в наномасштабе.
«Предыдущие исследования нашей группы показали, что развитие спектроскопии рентгеновского поглощения жидких микроструй предоставляет новый атомно-чувствительный зонд для изучения взаимодействий между ионами в воде, но именно появление этой новой теории даёт первую надёжную интерпретацию этих данных на молекулярном уровне», — сказал Ричард Сайкалли, химик из Berkeley Lab и профессор химии Калифорнийского университета в Беркли.
Прендергаст отмечает, что его метод молекулярной динамики можно использовать для моделирования рентгеновских спектров биологической системы с известной структурой, чтобы определить её локальные взаимодействия, причины формирования конкретной структуры и принятия определённой конформации. Всё это достигается путём моделирования спектров серии отдельных «снимков» и сравнения с экспериментальными результатами. Эти симуляции требуют больших вычислительных ресурсов и в значительной степени опираются на инфраструктуру суперкомпьютеров Национального центра научных вычислений для исследований в области энергетики (NERSC) в Berkeley Lab.
«Хотя эти эффекты являются фундаментальной частью природы, они всё ещё плохо изучены», — сказал Крейг Шварц, исследователь, работающий с Прендергастом и Сайкалли. — «Экспериментальная чувствительность NEXAFS в сочетании с прорывом в теории дала нам новое понимание того, как взаимодействуют эти молекулы».
Исследователи ожидают спроса со стороны других групп, изучающих взаимодействия с водой (или другими растворителями), а также как мягких материалов (например, полимеров), так и неорганических материалов (оксидов и металлических поверхностей), которые напрямую связаны с энергетическими приложениями в катализе, технологии аккумуляторов и фотовольтаике. Кроме того, по мере того, как источники рентгеновских лазеров на свободных электронах (XFEL) становятся доступными для учёных, будет доступен более богатый набор экспериментальных данных для дополнения теоретических выводов.