Учёные из Германии, США и Швеции больше десяти лет потратили на то, чтобы добиться намеченной цели - получить объёмные изображения высокого разрешения крошечных биологических объектов - белковых молекул и вирусов - с помощью мощного рентгеновского излучения. Обычные методы кристаллографии, которые используются в этом случае, связаны с трудоёмким выращиванием кристаллов. Рентгеновское излучение разрушает образцы, изображения получаются смазанными. Чтобы обойти недостатки современных методов, учёные использовали ещё более мощный лазер с короткими импульсами рентгеновского излучения и впервые получили объёмные картинки фотосистемы I, комплекса белков и пигментов, участвующего в фотосинтезе, и мимивируса, самого крупного из известных вирусов.
Как учёные исследуют молекулярную структуру биологических материалов? С помощью рентгенодифракционных методов. Рентгеновское излучение <просвечивает> кристалл, и по дифракционной картине восстанавливается структура вещества. Сложные условия, необходимые для создания достаточно больших кристаллов, которые трудно вырастить без дефектов, и разрушительное рентгеновское излучение не позволяют получить изображения высокого разрешения, чтобы изучить пространственную структуру важных биологических объектов, таких как крошечные вирусы, белки и живые клетки, что представляет чрезвычайный интерес для медицины.
Более десяти лет назад профессор Янос Хайду из Университета Упсалы (Швеция) вместе с коллегами вычислил, что получить изображения тонкой структуры биологических объектов можно с помощью источника рентгеновского излучения, который был бы в миллиард раз мощнее обычных. Чуть больше года назад большая международная команда учёных (более 80 человек) под руководством Генри Чепмена из немецкого центра DESY (Center for Free-Electron Laser Science - CFEL) провела пилотные эксперименты с фемтосекундным лазером. Наконец, недавно учёные получили изображения фотосистемы I и частицы мимивируса, используя источник излучения, расположенный в американской лаборатории LCLS (Linac Coherent Light Source at SLAC National Accelerator Laboratory in California). Это достижение - кульминация многолетних попыток, которые начались с первых экспериментов на DESY's лазере на свободных электронах в Гамбурге, рассказывает Чепмен. Они стали возможны только с участием большой команды учёных-физиков, биологов, специалистов в оптике, плазме и детекторах. Результаты исследований опубликованы в двух работах в журнале Nature.
Для того чтобы рентгеновское излучение не разрушило раньше времени белки и вирусы, учёные использовали очень мощный источник с ультракороткими импульсами LCLS. Импульсы такого рентгеновского лазера в миллиард раз ярче, чем у обычного источника синхротронного излучения, и любой образец на их пути мгновенно испаряется в плазму горячее солнца. Облучение продолжается только 100 фемтосекунд (1 фемтосекунда равна 10-15 секундам), но изображение можно получить до того, как образец начнёт разрушаться.
Как новый лазер <фотографирует> объект? Образцы впрыскивали в аэрозоль или поток жидкости и каждую минуту собирали по 1800 отдельных снимков. Перед каждым новым импульсом - 30 раз в секунду - учёные помещали новые образцы взамен тех, которые испарились. Каждый такой рентгеновский импульс выдаёт отдельную картинку объекта, но, чтобы получить его пространственную структуру, требуется множество снимков беспорядочно ориентированных, но идентичных частиц. За несколько дней работы высокоскоростной детектор рентгеновских лучей записал и оцифровал миллионы снимков, а компьютерные кластеры в Германии и США проанализировали терабайты данных, чтобы получить пространственные структуры образцов.
Чтобы получить изображение молекул фотосистемы I, преобразующих солнечный свет в энергию во время фотосинтеза, учёные изготовили кристаллы размером от 100 нанометров до 2 микрометров. Белки фотосистемы I связаны с мембраной, а получать кристаллы из таких белков очень сложно. К настоящему времени определена структура менее 300 мембраносвязанных белков, которые очень важны для медицинских целей, тогда как у растворимых белков счёт идёт на тысячи. Во время эксперимента учёные собрали более трёх миллионов дифракционных образцов, из которых восстановили трёхмерное изображение фотосистемы I.
Для получения изображения самого большого из известных вирусов - мимивируса, который инфицирует амёб, учёные не стали выращивать кристаллы. По тысяче изображений отдельных вирусов они реконструировали пространственную структуру. Такой способ получения изображений можно применять ко всем живым клеткам, он позволяет избавиться от необходимости замораживать материал, делать срезы или наносить химические метки.
Новый метод, считают авторы исследования, открывает дорогу для получения пространственных структур различных биологических объектов. Кроме того, если использовать более короткие и мощные импульсы, сфокусированные на меньшей площади, можно получить значительно более высокое разрешение изображений. Об этом сообщает STRF.ru.
