Синхротронное излучение (СИ) представляет собой источник электромагнитного спектра, обладающий высокой яркостью, когерентностью и широкой энергетической областью от инфракрасного диапазона до жёсткого рентгена. Эти характеристики делают его незаменимым инструментом при изучении структурной организации и динамики нуклеиновых кислот — ДНК и РНК. Высокая интенсивность и возможность тонкой настройки длины волны позволяют получать данные с атомным и субатомным разрешением, исследовать взаимодействие нуклеиновых кислот с белками, лигандами и ионными компонентами.
Основным преимуществом СИ по сравнению с традиционными рентгеновскими источниками является его колоссальная светимость, позволяющая анализировать даже крайне малые объёмы образцов и получать структурные данные в условиях, максимально близких к физиологическим.
Одним из ключевых методов, использующих синхротронное излучение, является рентгеновская кристаллография. Нуклеиновые кислоты и их комплексы с белками образуют кристаллы сравнительно низкого качества по сравнению с белками, что делает традиционные источники рентгеновского излучения малоэффективными. Синхротронные пучки высокой интенсивности позволяют:
Таким образом, синхротронная кристаллография позволила расшифровать структуры рибозимов, рибосомных субъединиц и сложных ДНК-белковых комплексов, что было невозможно с использованием менее мощных источников излучения.
Круговой дихроизм и линейная дихроия в синхротронном излучении дают уникальные возможности для изучения вторичной структуры ДНК и РНК. Особое значение имеют вакуумный ультрафиолетовый диапазон и дальний УФ, где расположены переходы оснований нуклеотидов. Синхротронные источники обеспечивают:
Инфракрасная спектроскопия с использованием синхротронного излучения применяется для изучения локальных изменений в структуре фосфатного остова и водородных связей. Высокая пространственная разрешающая способность метода позволяет исследовать распределение конформаций в неоднородных биологических образцах.
Метод SAXS на синхротроне позволяет изучать трёхмерные структуры нуклеиновых кислот и их комплексов в растворе, без необходимости кристаллизации. Основные результаты:
SAXS на СИ стал ключевым методом для понимания конформационной гибкости РНК и её роли в каталитической активности рибозимов.
Кратковременные процессы, протекающие в нуклеиновых кислотах, такие как фотохимические реакции, репликация или репарация ДНК, требуют использования источников с фемтосекундным и пикосекундным разрешением. Синхротронные пучки, модулированные специальными режимами накопителя, позволяют:
Синхротронное излучение используется также как модельный источник для изучения радиационно-индуцированных повреждений. Контролируемая экспозиция ДНК и РНК различными длинами волн позволяет:
Это направление имеет важное значение для радиобиологии и медицинской физики, особенно в контексте разработки протоколов лучевой терапии и защиты генетического материала.
Методы рентгеновской микротомографии на синхротроне позволяют получать трёхмерные изображения хроматина и нуклеопротеидных комплексов с разрешением вплоть до десятков нанометров. Применение фазоконтрастной томографии открывает новые возможности:
Развитие источников четвёртого поколения (XFEL — рентгеновские лазеры на свободных электронах) открывает новые горизонты в исследовании нуклеиновых кислот. С их помощью становится возможным:
Таким образом, синхротронное излучение стало универсальным инструментом молекулярной биофизики нуклеиновых кислот, позволяя объединять структурные, динамические и функциональные подходы в единое исследовательское пространство.