Эксперимент «Кибо» на борту, связанный с выращиваем высококачественных кристаллов протеина

Белки характеризуются сложными трехмерными структурами. Микрогравитационная среда космоса – это наиболее подходящее место для изучения трехмерной структуры белков. В космосе нет конвекции, вызывающей растекание раствора во многих направлениях вследствие перепада плотности; также нет осаждения, которое побуждает более тяжелые элементы опускаться. В связи с этим, белковые молекулы образуют высококачественные кристаллы со структурами упаковки в высшей степени упорядоченными, которые помогают определить трехмерную структуру каждой молекулы белка. Были созданы различные протеиновые кристаллы в уникальной космической среде.

Эксперимент с протеиновой кристаллизацией проводили девять раз с 2003 года на Российском Служебном Модуле МКС. В результате была разработана технология производства высококачественных протеиновых кристаллов. Эксперимент «Кибо» в Японском экспериментальном модуле (JEM) начали в июле 2009 года. Шесть экспериментов запланировано до 2012 года.

Образцы протеина отправили российским космическим кораблем «Прогресс» на МКС при взаимодействии с Российским Федеральным космическим агентством (ФКА) и разместили в научно-исследовательской установке по кристаллизации протеина (PCRF) в JEM на 2-4 месяца (Рис. 1). Мы использовали «метод на основе пробирки с гелем», т.е. метод обратной диффузии для кристаллизации, посредством которого полиэтилен гликоль (PEG) и соль распыляют в протеиновый раствор, содержащийся в капиллярной трубке, и после этого постепенно увеличивают их концентрации до тех, которые требуются для осаждения протеина (Рис. 2).

Одна из главных целей экспериментов с кристаллизацией протеина – это использование его результатов с целью прогресса медицины. Связь протеинов, связанных с заболеванием, и лекарств, которые их подавляют, подобна отношению «замочной скважины» и «ключа». Если обнаружена форма «замочной скважины» путем исследования трехмерной структуры протеина, то можно разработать лечебный препарат с минимумом побочных эффектов, т.е. «ключ», подходящий к «замочной скважине». JAXA делает успехи в изучении трудноизлечимых болезней путем проведения экспериментов в космосе, ориентированных на более эффективное оказание медицинской помощи (Рис. 3).

Здесь мы представляем D-синтазу гематопоэзного простагландина (PG) (H-PGDS), которая является успешным примером эксперимента по кристаллизации протеина. H-PGDS, являясь ферментом, ответственным за продуцирование PGD2, известен как медиатор аллергических и воспалительных реакций в тучных клетках; клетках, имеющих антигены и лимфоцитах Th2. Недавно, научно-исследовательская группа из института биологии в Осаке (OBI) сообщила, что H-PGDS обнаружены в омертвевших мышечных волокнах у пациентов с мышечной дистрофией Дюшенна (DMD). DMD – это наиболее распространенная форма мышечной дистрофии, поражающая, приблизительно 1 из 3500 мальчиков. DMD – это на следственное нарушение в мышцах, которые приводит к мышечной атрофии и ускоряет прогрессирование разрушения мышц. Это – трудноизлечимая болезнь, основополагающий метод лечения которой еще не был найден. В связи с этим, ингибиторы, специфические для H-PGDS, считаются полезными лекарственными препаратами от мышечной дистрофии. Исследовательской группе OBI удалось определить трехмерную структуру H-PGDS вместе с опытным образцом специфичного для H-PGDS ингибитора. Для разработки более эффективных соединений они разработали дополнительные совершенно новые ингибиторы H-PGDS, основанные на опытном образце ингибитора в качестве основного соединения, и определили их виды связи в комплексах «фермент-ингибитор» посредством проведения кристаллографических рентгеновских анализов высокого разрешения. Несколько раз H-PGDS кристаллизовали в микрогравитационной среде при проведении космических экспериментов JAXA (Рис. 4).

Исследователи получили высококачественные кристаллы комплексов «H-PGDS - ингибитор», которые дифрагируют до разрешения 1.0-1.5 ангстрем (А) в космосе, и обнаружили новый сильный ингибитор, активность которого в несколько сотен раз выше, чем у опытного образца ингибитора. Это позволит лучше разобраться в типе связи H-PGDS с ингибиторами с целью оптимизации разработки лекарств и, в связи с этим, в настоящее время продолжают исследования с целью их практического использования (рис. 5).

В человеческом теле существует свыше 100,000 протеинов. Не менее 10 млрд белков существует в природе. Каждая структура имеет отличия и каждая содержит важную информацию, связанную с нашим здоровьем и глобальной средой. Для того чтобы разобраться в структурах протеинов, космос сейчас используют в качестве самой новой среды для проведения медико-биологических исследований, где ученые проводят эксперименты, которые невозможно или исключительно трудно осуществить на Земле. В японском экспериментальном модуле «Кибо» (МКС) различные эксперименты, позволяющие получить высококачественные протеиновые кристаллы, открывают новые возможности. Выяснение протеиновой структуры играет важную роль для постижения «механизмов» жизни.

 

.Зачем нужна белковая кристаллография

Ю.А. Владимиров

Юрий Андреевич Владимиров, академик РАМН, 
зав. каф. биофизики РГМУ, 
зав. каф. физико-химических основ медицины; факультета фундаментальной медицины МГУ им.М.В.Ломоносова, 
зав. лаб. белковой кристаллографии Института кристаллографии РАН, 
рук. отд. биофизики Научно-исследовательского института физико-химической медицины Минздрава РФ.

[361x500]

Рис.1. Кристаллы некоторых ферментов (слева) и вирусов, полученные в Институте кристаллографии РАН.

Статья ЗДЕСЬ

Белки (протеины, полипептиды) — высокомолекулярные органические вещества, состоящие из альфа-аминокислот, соединённых в цепочку пептидной связью . В живых организмах аминокислотный состав белков определяется генетическим кодом, при синтезе в большинстве случаев используется 20 стандартных аминокислот. Множество их комбинаций создают молекулы белков с большим разнообразием свойств. Кроме того, аминокислотные остатки в составе белка зачастую подвергаются посттрансляционным модификациям, которые могут возникать и до того, как белок начинает выполнять свою функцию, и во время его «работы» в клетке. Зачастую в живых организмах несколько молекул разных белков образуют сложные комплексы, к примеру, фотосинтетический комплекс.

Функции белков в клетках живых организмов более разнообразны, чем функции других биополимеров — полисахаридов и ДНК. Так, белки-ферменты катализируют протекание биохимических реакций и играют определяющую роль в обмене веществ. Некоторые белки выполняют структурную или механическую функцию, образуя цитоскелет, поддерживающий форму клеток. Также белки играют ключевую роль в сигнальных системах клеток, при иммунном ответе и в клеточном цикле.

Белки — важная часть питания животных и человека (основные источники: мясо, птица, рыба, молоко, орехи, бобовые, зерновые; в меньшей степени: овощи, фрукты, ягоды и грибы), поскольку в их организмах не могут синтезироваться все необходимые аминокислоты и часть должна поступать с белковой пищей. В процессе пищеварения ферменты разрушают потреблённые белки до аминокислот, которые используются для биосинтеза собственных белков организма или подвергаются дальнейшему распаду для получения энергии.http://polyguanidines.ru/m_belki.htm

Определение аминокислотной последовательности первого белка — инсулина — методом секвенирования белков принесло Фредерику Сенгеру Нобелевскую премию по химии в 1958 году. Первые трёхмерные структуры белков гемоглобина и миоглобина были получены методом дифракции рентгеновских лучей, следовательно, Максом Перуцем и Джоном Кендрю в конце 1950-х годов, за что в 1962 году они получили Нобелевскую премию по химии.