Международная группа ученых использовала импульсы рентгеновского излучения высокой интенсивности для определения структуры кристаллической белковой оболочки вируса насекомых. Их анализ раскрывает мелкие детали строительных блоков, из которых состоит вирусный кокон, вплоть до масштаба 0,2 нанометра (миллионных долей миллиметра), что приближается к разрешению атомного масштаба. Крошечные вирусы с их кристаллической оболочкой, безусловно, являются самыми маленькими кристаллами белка, когда-либо анализируемыми с помощью рентгеновской кристаллографии. Это открывает новые возможности в изучении белковых структур, как сообщает группа под руководством ведущего ученого DESY Генри Чепмена из Центра науки о лазерах на свободных электронах в Proceedings of the U. С. Национальная академия наук (PNAS).
Грануловирус атакует определенных насекомых и убивает их. Сначала он остается внутри разлагающегося хозяина, поэтому ему приходится защищать себя, возможно, в течение многих лет, от неблагоприятных условий окружающей среды, таких как жара, ультрафиолетовое излучение и засуха, пока его снова проглатывает насекомое. Для этого вирус заворачивается в кокон из белковых кристаллов, которые снова растворяются только после того, как достигают кишечника насекомого», - объясняет Корнелиус Гати из DESY, главный автор статьи. Эти вирусы представляют особый интерес для Питера Меткалфа из Оклендского университета в Новой Зеландии и Йоханнеса Йеле из Института Юлиуса Кюна в Дармштадте, которые объединились с DESY для этого исследования. Исследователи исследовали кокон грануловируса Cydia pomonella (CpGV), поражающего гусениц плодожорки (Cydia pomonella) и используемого в сельском хозяйстве в качестве биологического пестицида. Вирус безвреден для человека.
Ученых интересует пространственная структура белков и других биомолекул, потому что это проливает свет на то, как именно они работают. Это привело к возникновению специализированной науки, известной как структурная биология. «За последние 50 лет ученые определили структуру более 100 000 белков», - говорит Чепмен, который также является профессором физики Гамбургского университета. «Безусловно, наиболее важным инструментом для этого является рентгеновская кристаллография». В этом методе кристалл исследуемого белка выращивают и облучают яркими рентгеновскими лучами. Это дает характерную дифракционную картину, по которой можно рассчитать пространственную структуру кристалла и его строительных блоков.
«Одна из самых больших проблем этой процедуры - выращивание кристаллов, - добавляет Чепмен. Многие белки с трудом выстраиваются в кристаллы, потому что это не является их естественным состоянием. Чем меньше кристаллы, которые можно использовать для анализа, тем легче их вырастить, но тем сложнее их измерить.«Мы надеемся, что в будущем мы сможем полностью отказаться от выращивания кристаллов и изучать отдельные молекулы непосредственно с помощью рентгеновских лучей, - говорит Чепмен, - поэтому мы хотели бы понять пределы».
«Эти вирусные частицы предоставили нам самые маленькие кристаллы белка, когда-либо использовавшиеся для рентгеноструктурного анализа», - объясняет Гати. Закупорочное тело («кокон» вируса) имеет объем около 0,01 кубического микрометра, что примерно в сто раз меньше, чем у мельчайших искусственно выращенных кристаллов белка, которые до сих пор анализировались с использованием кристаллографических методов.
Чтобы преодолеть этот предел в размере кристалла, был необходим чрезвычайно яркий рентгеновский пучок, который был получен с помощью так называемого лазера на свободных электронах (ЛСЭ), в котором направляется пучок высокоскоростных электронов через магнитный ондулятор, заставляющий их излучать рентгеновские импульсы, подобные лазеру.
Ученые использовали лазер на свободных электронах LCLS в Национальной ускорительной лаборатории SLAC в США. S., и использовал оптику, чтобы сфокусировать каждый импульс рентгеновского излучения до такого же размера, как одна из вирусных частиц. «Направление всей мощности ЛСЭ на один крошечный вирус подвергло его воздействию огромных уровней радиации», - сообщает Гати, который сейчас работает в SLAC. Доза составила 1,3 миллиарда грей; для сравнения: смертельная доза для человека составляет около 50 грей.
Доза ЛСЭ, безусловно, была смертельной и для вирусов - каждый из них был полностью испарен одним рентгеновским импульсом. Но импульс фемтосекундной длительности несет информацию о первозданной структуре к детектору и уничтожение вируса происходит только после прохождения импульса. Анализ зарегистрированной дифракции показал, что даже крошечные белковые кристаллы, подвергшиеся бомбардировке чрезвычайно высокими дозами радиации, все же могут выявить свою структуру в атомном масштабе.
«Моделирование, основанное на наших измерениях, предполагает, что наш метод, вероятно, может быть использован для определения структуры даже меньших кристаллов, состоящих всего из сотен или тысяч молекул», - сообщает Чепмен, который также является членом Гамбургского центра исследований. Сверхбыстрая визуализация (CUI).«Это делает нас огромным шагом вперед к нашей цели - анализу отдельных молекул».