Жизнь замечательных устройств

Так, считающийся в настоящий момент главным доказательным методом в химии рентгеноструктурный анализ (РСА) также позволяет получать изображения биологически активных молекул с очень высоким разрешением и значительной степенью детализации — зачастую его сравнивают со способом, позволяющим «сфотографировать» молекулу, определив положение атомов в её составе с точностью до одного ангстрема. Более того, за изучение белков и нуклеиновых кислот методом рентгеноструктурного анализа была присуждена не одна Нобелевская премия. Наиболее известна Нобелевская Премия по физиологии и медицине 1962 года, которую получили Джеймс Уотсон, Френсис Крик и Морис Уилкинсон, которые установили двуспиральное строение ДНК именно с помощью рентгеноструктурного анализа. Любопытно, что в этот же 1962 год лауреатами «химической» Нобелевской премии стали Макс Перуц и Джон Кендрю, использовавшие рентгеноструктурный анализ для изучения строения гемоглобина и других белков. Тем не менее, для того чтобы изучить белок или другую биологически активную молекулу с помощью РСА, необходимо получить кристаллический образец предмета исследования. Бывает, что между определением первичной структуры белка и подготовкой кристаллического образца для определения третичной структуры проходят годы, бывает, что белок просто не кристаллизуется. В ряде случаев в процессе кристаллизации белок принимает форму, значительно отличающуюся от той, которая характерна для него в естественном биологическом окружении. Для изучения биомолекул с помощью криоэлектронной микроскопии не нужно готовить кристаллические образцы, это позволяет и снизить время на исследование, и использовать меньшее количество изучаемого образца. То, что для криоэлектронной микроскопии биосистем нужен только раствор, содержащий образец, а свойства такого раствора (кислотность, солевой фон и т. п.) можно менять перед заморозкой, позволяет применять метод для определения строения биомолекулы в тех условиях, которые недоступны для рентгеноструктурного анализа.

Наиболее распространённый среди химиков, изучающих вещества, для которых пока не удалось получить кристалл для изучения методом РСА, или химиков, изучающих химические процессы в растворах, метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР), позволяющий различать атомы какого-либо химического элемента в составе разных структурных фрагментов, помогает исследовать биохимические процессы в растворах, предоставляя исчерпывающую информацию об изменениях конфигурации биологически активных молекул. Однако и этот метод ограничен — для его успешного применения нужно получить достаточно концентрированный раствор препарата, поэтому ЯМР можно применять лишь для исследования хорошо растворимых небольших по размеру белков, причём тех, которые растворимы во внутри- или внеклеточной жидкостях, а вот для изучения беков, например, связанных с клеточными мембранами, ЯМР бесполезен.

Изучение больших белков, белков-рецепторов, связанных с клеточной мембраной или межмолекулярных ассоциатов, образованных сразу несколькими биологическим активными молекулами, значительно облегчается (а в ряде случаев становится исключительно возможным) при применении криоэлектронной микроскопии.

Преимуществом криоэлектронной микроскопии является то, что для изучения биологической молекулы этим методом нет необходимости готовить её кристаллический образец, а значит, для анализа требуется очень небольшое количество вещества, метод позволяет анализировать частицы, масса которых находится в диапазоне от десятков килодальтон до нескольких мегадальтон. Разновидность метода — криоэлектронная томография — может изучать и более крупные объекты — от комплекса биологически активных молекул до клеточного органоида и даже клетки. Криоэлектронная микроскопия позволяет изучать структуры не только в статичном состоянии — ионный фон, концентрацию низкомолекулярных веществ и рН охлаждаемого для анализа раствора можно систематически менять, что позволяет определять структуру биомолекул и более сложных биологических объектов в окружении, свойства которого максимально близки их естественному окружению в клетке, метод криоэлектронной микроскопии даже позволяет изучить изменения строения фермента в ходе протекания ферменто-катализируемой реакции (Nature, 2015, 521, 241–245; DOI: 10.1038/nature14365). Результаты таких исследований могут применяться на практике — для детального изучения биохимических процессов, изучения строения патогенных вирусов, создания новых и модификации существующих лекарственных препаратов.