Синхротронная радиация (СР) занимает центральное место в современной структурной биологии, обеспечивая получение данных о пространственной организации макромолекул с атомным и субатомным разрешением. Уникальные характеристики излучения — высокая интенсивность, коллимация и широкая энергетическая область — позволяют изучать белки, нуклеиновые кислоты и их комплексы в условиях, недостижимых для традиционных источников рентгеновских лучей.
Особое значение СР приобрела в белковой кристаллографии, став основным инструментом для расшифровки трехмерных структур тысяч биологических макромолекул.
Белки, в отличие от неорганических кристаллов, формируют кристаллы с высокой степенью неупорядоченности, большим содержанием воды (до 70 %) и слабой дифракционной способностью. Для их изучения необходимы интенсивные и монохроматические рентгеновские лучи, которые может обеспечить только синхротрон.
Ключевые преимущества синхротронного излучения для кристаллографии белков:
1. Многоугловая аномальная дисперсия (MAD). Используется изменение фазовой информации при облучении образца на разных длинах волн вблизи краев поглощения атомов тяжелых элементов (например, селена или ртути, встроенных в белок). СР позволяет точно регулировать энергию излучения, что делает метод исключительно эффективным.
2. Метод одноугловой аномальной дисперсии (SAD). Является упрощенной версией MAD, требует только одной длины волны. Благодаря высокой интенсивности синхротронного излучения SAD стал стандартным методом, особенно в комбинации с использованием селено-метиониновых производных белков.
3. Классическая молекулярная замена (MR). Хотя метод молекулярной замены не требует аномального рассеяния, использование СР повышает точность данных и позволяет работать с более мелкими и слабодифрагирующими кристаллами.
4. Временная кристаллография (time-resolved crystallography). СР открывает возможность отслеживания структурных изменений белков в реальном времени после запуска реакции (например, световым импульсом или изменением химических условий). Таким образом изучают динамику белков — от фотосинтетических комплексов до ферментов.
Одной из наиболее сложных задач белковой кристаллографии является получение крупных и хорошо упорядоченных кристаллов. СР позволяет проводить эксперименты даже на кристаллах микронных размеров. Для этого используются:
Развитие синхротронной техники привело к созданию источников нового поколения — свободных электронных лазеров (XFEL). Эти установки обеспечивают излучение с яркостью на порядки выше традиционных синхротронов и импульсами длительностью в десятки фемтосекунд.
Благодаря этому стало возможным проведение экспериментов по принципу “diffraction before destruction”, когда снимок кристалла фиксируется до того, как он разрушается из-за интенсивного облучения. Данный метод особенно ценен для работы с белками, которые не удается закристаллизовать в крупных кристаллах: используется поток нанокристаллов или даже одиночные молекулы.
| Параметр | Лабораторный рентгеновский источник | Синхротрон |
|---|---|---|
| Интенсивность | Низкая | Высокая (на 6–8 порядков выше) |
| Размер кристалла | >0,2 мм | до 1–2 мкм |
| Возможность работы с аномальным рассеянием | Ограничена | Широко используется (MAD, SAD) |
| Временное разрешение | Секунды и выше | Пикосекунды и ниже |
| Радиационные повреждения | Критичны | Снижаются за счет высокой скорости сбора данных |
СР и методы белковой кристаллографии позволили установить пространственную организацию тысяч белков и комплексов, включая:
Эти достижения радикально изменили биомедицину и фармакологию, обеспечив переход от эмпирических подходов к структурно-ориентированному дизайну лекарств.