Белковые кристаллы – старт в микрокосмос

 

 

Как известно, белки играют основную роль в обмене веществ в живых организмах. Чтобы понять, как работает машина под названием «живой организм», надо разобраться, как работает белок. Для этого необходимо найти взаимосвязь между последовательностью аминокислот и функциями данного белка. В первую очередь нужно расшифровать последовательность белка. Сделать это можно с помощью рентгеновского метода. Для того чтобы воспользоваться рентгеновским методом, необходимы кристаллические образцы. Казалось бы, для разгадки жизни на Земле осталось, всего лишь закристаллизовать белок, но кристаллизация белка оказалась непростой задачей.

Нынешние белковые кристаллизаторы представляют собой огромные шкафы – скрининговые машины. Белок может кристаллизоваться при строго определенных условиях: 1) определенной кислотности раствора; 2) определенной температуре; 3) в присутствии некоторого вещества-осадителя определенной концентрации. Кислотность раствора и соль-осадитель заранее неизвестны, поэтому в скрининговые машины заправляются матрицы с сосудами, в которые залиты растворы с рН, меняющимся с выбранным шагом, и различными солями, тестируемых концентраций. Кристаллы имеют множество модификаций (рис.1) в зависимости от условий роста. Очевидно, что результативность попыток угадать правильные условия роста кристаллов крайне невелика. Проблема кажется особенно сложной, если учесть, что человеческий организм содержит свыше 10⁶ белков.

 

 

 

 

Рис.1. Различные модификации кристаллов белка куриного яйца лизоцима: 1 – тетрагональная модификация, 2 – моноклинная, 3 - триклинная, 4 – игольчатые кристаллы, 5 – кристаллы неизвестных модификаций. Кристаллы получены в одном растворе при смешении солей-осадителей. Изображение получено с помощью микроскопа фазового контраста. Указанный размер равен 100 мкм.

 

Возможен и другой подход: изучить закономерности кристаллизации белков. Белковые кристаллы растут медленно, получить их крупноразмерными, вообще, не удается. За год оствальдской перекристаллизации можно вырастить кристалл максимального размера около 5 мм, при этом он будет крайне дефектным.

Рис.2. Трехмерное изображение дислокационного источника роста на грани (101) кристалла моноклинного лизоцима, полученное методом атомно-силовой микроскопии непосредственно в процессе роста кристалла. Показаны два сегмента ступени полигонизованного холмика роста. Видны молекулярные ряды,

расстояние между рядами 6 нм.

 

Белки имеют множество принципиальных отличий по сравнению с хорошо изученными легко растворимыми, низкомолекулярными кристаллами. Во-первых, большой размер молекул (следовательно, большой размер строительных единиц) (рис.2). Во-вторых, молекулы имеют водную оболочку, препятствующую их сближению в растворе, поэтому кристаллизация возможна только в присутствии низкомолекулярных солей, разбивающих оболочку. В-третьих, форма молекул сложная, им нужно время для разворота, чтобы встроиться в кристаллическую решетку. В-четвертых, кристаллы имеют пористую структуру, даже чужеродные молекулы способны проникнуть внутрь кристаллов. За последнее время в нашей лаборатории (зав. лаб. Рашкович Л.Н.) было показано, что критический размер зародыша белкового кристалла определяется кинетикой ростового процесса, а не термодинамикой.

Нанопроцессы, происходящие в живом организме, – это неизведанная стихия, микрокосмос. Освоить это пространство нелегкая, но очень важная и интересная задача. Добро пожаловать в фантастический мир кристаллизации белков!

Петрова Елена, к.ф.м.-н,

кафедра полимеров и кристаллов