Новый метод анализа белков Pepsi-SAXS работает в 50 раз быстрее аналогов — Naked Science
10 минут
ФизТех

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

Учеными Университета Гренобля и МФТИ 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.

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

Работа методов на образце SASDAW3
Работа методов на образце SASDAW3

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.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
ФизТех
208 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.
Вчера, 18:50
5 минут
Илья Ведмеденко

Россия подняла в небо группу из шести военно-транспортных самолетов Ан-124-100. Такие тренировки позволяют отработать переброску на большие расстояния личного состава воинских подразделений.

Вчера, 17:27
9 минут
Василий Парфенов

Специалисты по информационной безопасности нашли пренеприятнейшую особенность ОС Windows 10. Ее штатный драйвер файловой системы NTFS при определенных условиях реагирует крайне деструктивным образом — критически повреждает главную файловую таблицу MFT. Вызвать такое его поведение можно огромным количеством способов: от создания подготовленной веб-страницы до отправки картинок, файлов и документов жертве.

Позавчера, 17:44
10 минут
Василий Парфенов

Американский исследователь создал нейросеть, которая с точностью около 70% определяет политические убеждения человека, анализируя только его лицо. Ранее он уже сделал алгоритм, устанавливающий по фотографии сексуальную ориентацию. Оба этих эксперимента провели с целью опровергнуть так называемую новую френологию, а в итоге частично подтвердили псевдонаучные гипотезы.

Вчера, 18:50
5 минут
Илья Ведмеденко

Россия подняла в небо группу из шести военно-транспортных самолетов Ан-124-100. Такие тренировки позволяют отработать переброску на большие расстояния личного состава воинских подразделений.

Вчера, 17:27
9 минут
Василий Парфенов

Специалисты по информационной безопасности нашли пренеприятнейшую особенность ОС Windows 10. Ее штатный драйвер файловой системы NTFS при определенных условиях реагирует крайне деструктивным образом — критически повреждает главную файловую таблицу MFT. Вызвать такое его поведение можно огромным количеством способов: от создания подготовленной веб-страницы до отправки картинок, файлов и документов жертве.

Позавчера, 17:44
10 минут
Василий Парфенов

Американский исследователь создал нейросеть, которая с точностью около 70% определяет политические убеждения человека, анализируя только его лицо. Ранее он уже сделал алгоритм, устанавливающий по фотографии сексуальную ориентацию. Оба этих эксперимента провели с целью опровергнуть так называемую новую френологию, а в итоге частично подтвердили псевдонаучные гипотезы.

4 января
2 минуты
Илья Ведмеденко

В России приступили к летным испытаниям нового Ту-214. По имеющимся данным, речь идет о третьем и заключительном экземпляре Ту-214ПУ, изготовленном по контракту от 2017 года.

19.12.2020
38 минут
Александр Березин

За последние полвека люди в России (и не только) стали слабее на десятки процентов. Судя по всему, с такой же скоростью они теряют интерес к сексу и становятся уязвимее к ряду болезней. Речь идет не просто о снижении мужественности мужчин и все более слабых женщинах — перед нами прямая угроза здоровью обоих полов. Попробуем разобраться, что о ней известно.

6 января
42 минуты
Александр Березин

Попытки нашей страны создать замену сверхмассовому биплану советской эпохи терпят неудачи вот уже тридцать лет. Причина проста: кризис легкомоторной авиации в целом. Когда-то самая передовая часть авиастроения сегодня застряла на решениях большой древности — и без резкого изменения всей концепции "летающего такси" так и не увидит заметных результатов.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий
Подтвердить?
Лучшие материалы
Предстоящие мероприятия
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: