Naukowcy z Niemiec, Szwajcarii, Wielkiej Brytanii i Polski ustalili strukturę białka rubredoksyny z najwyższą rozdzielczością, jaką kiedykolwiek osiągnięto. Otwiera to drogę do rutynowego wykorzystania krystalografii kwantowej w badaniu makrocząsteczek biologicznych. Metoda może się przyczynić do opracowywania nowych leków oraz projektowania enzymów na potrzeby chemii i materiałoznawstwa.
Enzymy to maszyny o naprawdę wysokiej wydajności. Z niemal idealną precyzją i efektywnością przeprowadzają różnorodne reakcje chemiczne w organizmach. Podczas gdy syntetyczne procesy chemiczne często wymagają ekstremalnych temperatur lub ciśnień, enzymy działają energooszczędnie i w sposób zrównoważony w roztworach wodnych o temperaturze ciała.
Aby zrozumieć niezwykłą wydajność enzymów, naukowcy muszą poznać nie tylko rozmieszczenie atomów, ale także rozkład elektronów w ich strukturze. Krystalografia rentgenowska o rozdzielczości lepszej niż 1,1 Å pozwala wyznaczać gęstość elektronową, a dzięki temu badać wiązania chemiczne i zjawiska kwantowe zachodzące w cząsteczce.
W szczegółach gęstości elektronowe ujawniają właściwości elektronowe i zjawiska mechaniki kwantowej. Te z kolei dostarczają informacji na temat stanu kwantowego miejsca aktywnego enzymu, substratów, produktów pośrednich i końcowych.
Ostatecznie ta kompleksowa obserwacja eksperymentalna umożliwi opracowanie leków dostosowanych do konkretnych chorób u ludzi, a także enzymów projektowanych specjalnie do katalizowania reakcji chemicznych – wyjaśnia prof. Ashwin Chari, kierownik grupy badawczej ds. biochemii strukturalnej i mechanizmów w Instytucie Nauk Multidyscyplinarnych im. Maxa Plancka w Getyndze (Niemcy).
Jednak tak wysokie rozdzielczości wiążą się z ryzykiem: promieniowanie może uszkodzić struktury biologiczne, zmieniając szczegóły, które naukowcy mogą w nich dostrzec.
Międzynarodowy zespół naukowców z Niemiec, Szwajcarii, Wielkiej Brytanii i Polski znaleźli sposób na pokonanie dotychczasowych ograniczeń. Określili bowiem strukturę białka rubredoksyny pochodzącej z archeonów z rozdzielczością 0,43 ångströma.
Zgodnie z naszą najlepszą wiedzą jest to struktura białka o najwyższej rozdzielczości, jaką dotychczas udało się określić – wyjaśnia kierujący zespołem prof. Chari i dodaje: – Było to możliwe dzięki szeregowi innowacji technicznych i usprawnionych procedur. Połączyliśmy najnowocześniejszą krystalografię rentgenowską z zaawansowanymi modelami kwantowo-chemicznymi, łącząc w ten sposób biologię strukturalną z fizyką kwantową.
Podstawą eksperymentu były wcześniejsze badania nad wpływem promieniowania na kryształy białek. Naukowcy wykazali, że zastosowanie dużych kryształów, małych dawek promieniowania, wiązki o równomiernym profilu oraz optymalizacji procesu zbierania danych pozwala ograniczyć uszkodzenia i uzyskiwać wiarygodne dane w skali poniżej jednego ångströma.
Asferyczny rozkład elektronów
Pomiary przeprowadzono w ośrodku DESY w Hamburgu, wykorzystując źródło promieniowania PETRA III oraz linię P14 Europejskiego Laboratorium Biologii Molekularnej EMBL. Zastosowana tam wiązka rentgenowska typu top-hat ma równomierną intensywność i może być dopasowywana do wielkości badanego kryształu. Samo zbieranie i przetwarzanie danych odbywa się zgodnie z zaawansowanymi, dynamicznie tworzonymi protokołami oprogramowania firmy Global Phasing, indywidualnie dostosowanymi do każdej próbki. Pozwala to precyzyjnie kontrolować dawkę promieniowania i uzyskać dane o maksymalnej jakości.
Dane o rozdzielczości 0,43 Å umożliwiły określenie położenia atomów w strukturze rubredoksyny, w tym atomów wodoru. Naukowcy uzyskali również wyjątkowo dokładny obraz gęstości elektronowej, pozwalający dostrzec m.in. elektrony znajdujące się w obszarze wiązań chemicznych oraz cząstkowe ładunki atomów.
Tak dokładnych danych nie można już poprawnie opisywać za pomocą standardowych, „sferycznych” modeli rozpraszania promieniowania. Konieczne jest uwzględnienie bardziej realistycznego, asferycznego rozkładu elektronów – tłumaczy prof. Paulina Dominiak z Centrum Nauk Biologiczno-Chemicznych Uniwersytetu Warszawskiego.
W tym celu biblioteka oprogramowania DiSCaMB dostarczająca transferowalne asferyczne modele atomowe (TAAM) została połączona z oprogramowaniem BUSTER firmy Global Phasing, służącym do udokładniania modeli białkowych. Dzięki temu zespół był w stanie w zadowalający sposób udokładnić strukturę białka używając asferyczne gęstości elektronowe i opierając się o wyjątkowe dane dyfrakcyjne.
Badacze przewidują, że przy odpowiednio dokładnych danych rentgenowskich krystalografia kwantowa może w przyszłości stać się rutynową metodą badania makrocząsteczek biologicznych. Pozwoliłaby nie tylko zobaczyć, gdzie znajdują się atomy, ale także analizować właściwości elektronowe odpowiedzialne za przebieg reakcji enzymatycznych. W dłuższej perspektywie może to ułatwić projektowanie nowych leków, katalizatorów i enzymów wykorzystywanych w chemii oraz materiałoznawstwie.
Wyniki badań zostały opublikowane w czasopiśmie „Acta Crystallographica Section D: Structural Biology”.
MK, źródło: UW
Fantastyczna informacja! Gratulacje dla NAUKOWCÓW!!!