Группа российских и международных исследователей представила новаторскую технологию выращивания кристаллов белков в условиях микрогравитации, впервые применив для этой цели магнитный биопринтер.
Изначально прибор «Орган.Авт», расположенный на МКС, предназначен для печати треехмерных тканей из живых клеток, но ученые смогли адаптировать его под новую задачу и получить высокоупорядоченные кристаллы. Их качество позволяет определить положение каждого атома в трехмерной макромолекуле белка, тем самым приблизившись к пониманию его свойств. Новый метод сочетает преимущества микрогравитации — она препятствует процессам осаждения и конвекции, с возможностью точно контролировать условия формирования кристаллов и непосредственно наблюдать за их ростом.
Даже учитывая успехи в области прогнозирования третичной структуры белка, отмеченные Нобелевской премии в прошлом году, получение прямых экспериментальных данных, для которого необходимы высококачественные кристаллы белка, остается чрезвычайно важным. Когда рентгеновские лучи проходят сквозь такие кристаллы, они отражаются от отдельных атомов, создавая уникальные узоры — карты дифракции. Именно благодаря этим картам ученые получают точную информацию о взаимном расположении всех атомов в структуре белка. Кристаллы более высокого качества дают более четкие и точные дифракционные изображения, предоставляя исследователям более подробную информацию.
В погоне за совершенством кристаллов исследователи вышли за пределы земного притяжения — в условиях микрогравитации росту кристаллов не мешают конвекционные потоки, а сами кристаллы в ходе роста не оседают на дно кюветы. Эти эксперименты начались еще на станции «Мир», но и на сегодняшний день поиск надежных методов кристаллизации белков в космосе, позволяющих точно контролировать все этапы процесса, продолжается.
Новый подход, предложенный коллективом специалистов из МФТИ с коллегами заключался в использовании уже расположенного на МКС прибора — магнитного биопринтера «Орган.Авт». Его основная задача — формирование органов и тканей из живых клеток. Отсутствие гравитации позволяет перемещать частицы с помощью магнитного поля, «подталкивая» их парамагнитными молекулами солей гадолиния. Прибор имеет шесть гнезд под кюветы, что позволяет проводить несколько экспериментов одновременно, оборудован камерами, фиксирующими процессы сборки тканей, способен поддерживать заданную температуру — эти характеристики и привлекли внимание ученых.
Уменьшив кюветы с помощью поршней-ограничителей под объем, удобный для экспериментов по кристаллизации, исследователи поместили в них белок и осадитель для него, разделив их пробкой из агарозы, предотвращающей их смешивание до прибытия на орбиту. «Первопроходцем» был выбран лизоцим из куриных яиц — хорошо изученный белок, формирующий крупные кристаллы. Старый знакомый не подвел, и на Землю вернулись кристаллы, размером до одного миллиметра, хорошо различимые даже невооруженным глазом.
К великому огорчению экспериментаторов, на самых крупных кристаллах были обнаружены трещины, скорее всего, возникшие при спуске образцов вследствие перепадов температуры. Однако экземпляры поменьше оказались неповрежденными, их характеристики вполне сравнимы с лучшими земными образцами. По некоторым характеристикам, например, мозаичности (показывает, насколько отдельные микроблоки кристалла смещены друг относительно друга), космический образец оказался лучше, несмотря на свой непростой «жизненный путь». Кроме того, ученые отметили положительный эффект от присутствия солей гадолиния: хотя магнитное поле не влияло на процесс кристаллизации напрямую, молекулы белка включали эти ионы в свою кристаллическую решетку, стабилизируя ее структуру. Также Gd3+ хорошо заметен на дифракционной картине, что облегчает создание высококачественных карт электронной плотности при определении структуры белка.
«Используя уникальную среду космоса, мы можем раскрывать подробные структуры белков, что дает нам ценную информацию, которая может помочь в разработке новых методов лечения и приложений. — говорит Кристофер Маккарти, научный сотрудник Центра молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ. — Эти космические исследования расширяют наши знания о кристаллизации белков и открывают захватывающие возможности для разработки лекарств и биотехнологических инноваций».
Полученные результаты подтверждают потенциал биопринтера «Organ.Aut» как альтернативного метода получения высококачественных кристаллов белка с минимальными дефектами.
В работе принимали участие ученые из Центра исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ, МИСиС, Лаборатории биотехнологических исследований «3D Bioprinting Solutions», Института биоорганической химии им. М.М. Шемякина-Овчинникова, Сколтеха, Сибирского государственного медицинского университета (Томск), и ОИЯИ.