Структуру сложных белковых молекул сегодня изучают с помощью ядерно-магнтитного резонанса (ЯМР). В ОИЯИ изобрели способ изучать с помощью ЯМР живые белковые молекулы в реальном времени. Автор изобретения – старший научный сотрудник Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ Сергей Доля.
В современных спектрометрах регистрация влияния поглощенной дозы радиации на молекулу проводится после ее облучения. И это не позволяет видеть картину повреждения белковых молекул радиацией непосредственно в процессе их облучения. Новый способ экспресс-анализа структуры живых белковых молекул позволяет получать информацию о них в динамическом режиме, в момент проведения радиоактивного облучения.
Суть изобретения в том, чтобы одновременно с ЯМР-спектроскопией живых белковых молекул их подвергать радиационному облучению и сравнивать скорость выхода химической реакции с контрольным образцом. По результатам таких измерений можно получать информацию о влиянии поглощенной дозы радиации на скорость протекания биохимической реакции. То есть в процессе химической реакции под воздействием радиационного облучения белковых молекул ЯМР-спектроскопия может определять химические сдвиги в живых белковых молекулах.
«За этими молекулами мы можем наблюдать непосредственно в процессе их работы и под облучением, – говорит Сергей Доля. – ЯМР-спектрометрия показывает, какой участок молекулы мы травмировали нашим излучателем и как это повреждение повлияло на работоспособность молекулы. С применением нового способа мы сможем увидеть то, что другие исследователи, возможно, пропускали: молекулы сначала облучали, а затем измеряли сдвиги ЯМР-пиков, но за это время структура молекулы могла измениться. Более того, данный способ позволяет следить за работоспособностью молекулы «вживую», непосредственно во время облучения».
Ученый добавляет, что источники излучения могут быть совершенно разными: для исследований подойдут и электронные, и протонные, и нейтронные пучки. «Если облучать молекулы нейтронами – будет один эффект, если тяжелыми ионами – другой эффект. Это связано с тем, что молекула ДНК состоит из двух нитей, которые скручены в спираль. Тяжелые ионы сразу перебивают две нити спирали, гамма-кванты повреждают только одну. В результате спираль, имея копию себя, может легко восстановиться после облучения гамма-лучами, но ей будет труднее восстановиться после облучения тяжелыми ионами. Новый способ анализа позволит отслеживать по скорости биохимической реакции, как радиационное повреждение повлияло на работоспособность молекулы, какие травмы оказались смертельными, а какие позволили молекуле восстановиться и за какое время», – поясняет Сергей Доля.
Примеров молекул, которые могут быть подвергнуты подобному анализу, очень много. Это, к примеру, энзимы – биологические катализаторы. По словам Сергея Доли, их действие можно сравнить с игрой в тетрис. В тетрисе на поле падают составленные из квадратиков фигурки разной формы. Если они падают произвольно, то очень редко могут заполнить ряд целиком. Но если человек с помощью джойстика вращает их в нужном направлении, то он может заполнить фигурками большое количество рядов. Катализатор работает по такому же принципу: сам не участвуя в реакции, он разворачивает молекулы в нужном направлении и соединяет так, чтобы скорость реакции увеличилась. При этом для биологических объектов скорость протекания реакции увеличивается в сотни тысяч раз.
Пока ЯМР-спектрометра в ОИЯИ нет, но предпосылки для того, чтобы его создать, есть. Для этого нужен сильный сверхпроводящий магнит с однородным магнитным полем. В центре магнита должно быть предусмотрено отверстие, сквозь которое в магнитное поле будет вводиться исследуемый образец.
Сдвиг пика ЯМР резонанса напрямую зависит от величины магнитного поля, и если магнитное поле будет неоднородным, то для разных его областей величина сдвига резонанса будет различной, и пик размоется. Таким образом, точность показаний спектрометра напрямую зависит от точности изготовления магнита.
Магнит для ЯМР-спектроскопии похож по структуре на магнит для разрабатываемого в ОИЯИ медицинского протонного ускорителя MSC-230. Скорее всего, для ускорителя будет изготовлен вначале промежуточный модельный магнит, который впоследствии можно будет использовать для нужд спектроскопии белковых молекул с помощью ядерного магнитного резонанса.
Патент на изобретение «Способ экспресс-анализа ингибирования живых белковых молекул» был получен Объединенным институтом ядерных исследований 18 июля 2022 года.