Новый метод кристаллографии позволяет рассмотреть движение молекул

Несмотря на бурное развитие методов ядерного магнитного резонанса и криоэлектронной микроскопии, рентгеновская кристаллография остается основным источником информации о пространственной структуре биологических макромолекул. Существенное ограничение этого метода состоит в том, что он плохо приспособлен к изучению динамических процессов. Авторы опубликованной в журнале Nature Methods статьи «Time-resolved crystallography using the Hadamard transform» («Кристаллография высокого временного разрешения с использованием преобразования Адамара») предложили новый подход для изучения быстропротекающих процессов в кристаллах.

Для получения атомной структуры белок кристаллизуют, а затем получают набор дифракционных данных, ориентируя кристалл под различными углами в рентгеновском луче. Из полученного таким образом набора рентгенодифракционных картин строят карту электронной плотности белка и наконец встраивают в эту карту атомы белковой молекулы. Чтобы исследовать динамику изменения структуры кристалла, его подвергают импульсному воздействию, а затем собирают дифракционную картину в различные короткие временные промежутки, варьируя задержку между воздействием и сбором данных. Количество экспериментов, которые приходится при этом провести, оказывается весьма большим. Если нужно получить n последовательных состояний, необходимо провести по крайней мере n экспериментов с различными интервалами времени после воздействия. Если при этом нужно достичь высокого временного разрешения, то промежутки времени, в течение которых собираются рентгенодифракционные данные, должны быть короткими, а значит, количество фотонов, рассеянных объектом, оказывается слишком маленьким, чтобы получить требуемое разрешение. Поэтому количество необходимых экспериментов оказывается в несколько раз больше, чем n. Сложность этой задачи усугубляется тем, что основным источником шума современных рентгеновских детекторов является считывание накопленного сигнала. Слабый сигнал «тонет» в шуме считывания, и поэтому для получения разумного соотношения сигнал/шум длительность экспозиции образца в рентгеновском луче должна быть достаточно большой. Поэтому для достижения высокого временного разрешения необходимое число повторений эксперимента многократно возрастает.

Авторы статьи придумали остроумное решение этой проблемы. Вместо того чтобы собирать данные в короткие временные интервалы, они набирали рентгенодифракционную картину в течение достаточно долгого промежутка времени, ненадолго прикрывая при этом кристалл от рентгеновских лучей, но не прекращая накопление данных на детекторе. Варьируя положение этих «темных» интервалов, авторы получили набор данных, из которого с помощью математического алгоритма, основанного на преобразовании Адамара, получали карты электронной плотности кристаллов в различные интервалы времени после воздействия. Поскольку экспозиция кристалла в луче каждый раз была достаточно длительной, соотношение сигнал/шум оказалось весьма высоким.

Работоспособность нового подхода была проверена и подтверждена в экспериментах на микрокристаллах белкового подсластителя тауматина. В качестве импульсного воздействия использовали сам рентгеновский луч, вызывающий радиационное повреждение белка, которое главным образом выражается в разрыве ковалентных связей между двумя парами аминокислотных остатков цистеина.