Новый метод анализа белков Pepsi-SAXS работает в 50 раз быстрее аналогов

Учеными Университета Гренобля и МФТИ под руководством Сергея Грудинина создан высокоэффективный метод расчета кривых рассеяния рентгеновских лучей для анализа белковых молекул в растворе Pepsi-SAXS, работающий от 5 до 50 раз быстрее, чем его аналоги. Результаты опубликованы Международным союзом кристаллографии в журнале Acta Crystallographica.

Белки обладают сложной структурой и крайне малыми размерами — порядка нескольких нанометров. Для их изучения приходится изобретать необычные методы, потому что любое воздействие может разрушить образец или изменить его свойства. Знание о структуре биомолекул и о механизмах их работы позволяет разрабатывать новые лекарства не методом проб и ошибок (высокопроизводительного скрининга), а основываясь на рациональной базе.

Одним из способов изучения является анализ отраженных от белка рентгеновских лучей. Специалисты используют именно рентгеновский, а не обычный свет, поскольку их интересуют атомные размеры, около 1/10000 микрона. Видимый свет — это чуть меньше микрона. Поэтому для того, чтобы посмотреть на такие мелкие объекты, нужен свет с очень короткой длиной волны. Таким свойством как раз и обладают рентгеновские лучи.

Мария Гаркавенко, соавтор работы, студентка МФТИ: «Метод Pepsi-SAXS позволяет эффективно и высокоточно строить кривые рассеяния, а также анализировать трехмерную структуру образца. К примеру, Pepsi-SAXS позволяет повысить эффективность моделирования и предсказания трехмерных структур макромолекул и многого другого».

Малоугловым рассеянием рентгеновских лучей (SAXS) называют тип малоуглового рассеяния, в котором рентгеновское излучение рассеивается от образца и затем собирается под очень малыми углами. Получается график зависимости интенсивности рассеяния от угла падения. На основе этого графика проводится сравнительный анализ с экспериментальной базой образцов, и потом делается вывод о структуре и свойствах исследуемого белка.

По сравнению с другими методами определения структуры, SAXS намного проще и дешевле. Он не требует долгой специальной подготовки образцов, заморозки или кристаллизации белковых соединений. Образцы измеряются прямо в растворе в функциональном состоянии. Таким образом, на порядок улучшается достоверность результатов, поскольку при проведении подготовки образец может менять свое состояние и свойства. Еще одно очень важное преимущество метода в том, что разрушительное воздействие рентгеновских лучей на экспериментальный образец незначительно.

Но до недавнего времени методы SAXS обладали существенным недостатком — сложностью вычислений, сильно ограничивающей количество экспериментов. На обработку данных только одного эксперимента уходило около десяти часов. В стандартном подходе количество вычислений прямо пропорционально квадрату числа молекул образца, а это число составляло более тысячи. Впервые идея, которая позволила бы упростить расчеты, пришла к немецкому ученому Генриху Штурману в 1970-е годы.

Он предложил описывать рассеяние от молекулярных соединений при помощи специальных сферических функций. Несмотря на то, что у Штурмана не было компьютеров и ему приходилось производить расчеты вручную, уже тогда подход показал свою эффективность. Очень много в этой области было сделано выпускниками советской школы, в частности Дмитрием Свергуном, который написал большой Пакет Atsas для всевозможных аспектов малоуглового рассеяния на биомолекулах. Эти наработки исследователи использовали в своей работе.

Андрей Казённов, соавтор работы, аспирант МФТИ: «Pepsi-SAXS расшифровывается как Polynomial expansions of protein structures and interactions’ Small-angle X-ray Scattering — адаптивный метод для быстрого и точного вычисления малоугловых профилей рентгеновского рассеяния. Pepsi-SAXS может подстраиваться под размер анализируемого образца и точность экспериментальных данных».

Дополнительно ученые создали эффективную модель водной оболочки анализируемых белковых соединений, что значительно улучшает точность результатов работы методики.

Сергей Грудинин, руководитель исследования: «Метод был проверен на большой выборке данных, собранных из двух крупнейших биологических баз данных, BioIsis и SASBDB. Мы продемонстрировали, что Pepsi-SAXS работает от 5 до 50 раз быстрее, чем ранее применяемые методы CRYSOL, FoXS и трехмерный метод Цернике в SAStbx. При этом Pepsi-SAXS не только не уступает им в точности, а даже выигрывает».

Помимо этого особое внимание было уделено анализу получаемых результатов и их автоматическому сопоставлению с экспериментальными данными.

На рисунке представлены результаты одной из серий экспериментов — сравнение работы различных применяемых на сегодня методов расчета на образце SASDAW3 из базы данных SASBDB. На графике показана средняя интенсивность рассеяния от угла рассеяния. Стоит отметить, что ошибка расчетной модели χ2 имеет наименьшее значение у модели Pepsi-SAXS, что доказывает ее высокую точность.

Изучение белковых соединений имеет фундаментальное значение для познания процессов жизнедеятельности живых организмов, создания лекарств и методов лечения болезней, а также получения новых органических материалов вплоть до выращивания искусственных органов. С новым изобретением наших ученых работы по этим направлениям смогут происходить в 50 раз быстрее.

ФизТех

394 статей

Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.

Показать больше