Тайны «молекулярных машин» раскрыты
«Внутри каждой клетки нашего тела, а также внутри каждой бактерии и вируса находятся крошечные, но сложные белковые молекулы, которые синтезируют химические вещества, реплицируют генетический материал, включают и выключают друг друга и транспортируют химические вещества через клеточные мембраны», — сказал Том Тервиллигер, ученый из Лос-Аламосской национальной лаборатории. Понимание того, как работают все эти «машины», — ключ к созданию новых методов терапии, лечению генетических расстройств и разработке новых способов получения полезных материалов.
Чтобы понять, как работает машина, нужно увидеть, как она устроена и как все ее части сочетаются друг с другом. Здесь на помощь приходят ученые из Лос-Аламоса. Эти молекулярные машины очень малы: миллион таких машин, поставленных бок о бок, займет менее дюйма пространства. Однако исследователи могут увидеть их с помощью рентгеновских лучей, кристаллов и компьютеров. Ученые создают миллиарды копий белковой машины, растворяют их в воде и выращивают кристаллы белка (аналогично выращиванию кристаллов сахара, но машины крупнее молекулы сахара).
Затем они направляют пучок рентгеновских лучей на кристалл и измеряют интенсивность каждого из тысяч возникающих дифракционных пятен. Далее с помощью мощного программного обеспечения Phenix, разработанного учеными из Лос-Аламоса, Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли, Университета Дьюка и Кембриджского университета, исследователи анализируют дифракционные пятна и создают трехмерное изображение отдельной белковой машины. Это изображение точно показывает, как устроена белковая машина.
Трехмерный прорыв
Недавно ученые из Лос-Аламоса совместно с коллегами из LBNL и Кембриджского университета упростили визуализацию молекулярной машины. В отчете в журнале Nature Methods за этот месяц команда показала, что может получать трехмерные изображения молекулярных машин, используя рентгеновские дифракционные пятна, которые ранее не поддавались анализу.
Некоторые молекулярные машины содержат несколько атомов металла или других атомов, которые дифрагируют рентгеновские лучи иначе, чем атомы углерода, кислорода, азота и водорода, составляющие основную часть атомов в белке. Программное обеспечение Phenix сначала находит эти металлические атомы, а затем использует их местоположение для поиска всех остальных атомов. Однако для большинства молекулярных машин металлические атомы приходится искусственно внедрять в машину, чтобы этот метод работал.
Основным новым достижением, в которое внесли вклад ученые из Лос-Аламоса, стало доказательство того, что мощные статистические методы можно применять для поиска атомов металла, даже если они рассеивают рентгеновские лучи не сильно иначе, чем все остальные атомы. Даже такие металлические атомы, как сера, которые естественным образом входят в состав почти всех белков, можно найти и использовать для создания трехмерного изображения белка. Теперь, когда часто можно будет увидеть трехмерное изображение белка без искусственного внедрения в него атомов металла, можно будет изучать гораздо больше молекулярных машин.
Расшифровка «Каскада»
Среди молекулярных машин, недавно увиденных в трехмерном детализированном виде, — «огромная» молекулярная машина под названием Cascade, о которой сообщалось в журнале Science летом. Машина Cascade присутствует в бактериях и может распознавать ДНК, происходящую от вирусов, заражающих бактерии. Машина Cascade состоит из 11 белков и молекулы РНК и напоминает морского конька, причем молекула РНК проходит через все «тело» конька. Если чужеродный фрагмент ДНК в бактериальной клетке комплементарен части молекулы РНК, то другая специализированная машина может подойти и разрезать чужеродную ДНК, спасая бактерию от заражения.
Ученые из Лос-Аламоса и Кембриджского университета, разрабатывавшие программное обеспечение Phenix, входили в команду, впервые визуализировавшую эту белковую машину. Программное обеспечение Phenix использовалось для определения трехмерных структур более 15 000 различных белковых машин и было процитировано в более чем 5000 научных публикациях.