Белковые кристаллы: красивые, но очень хрупкие...

Рентгеновская кристаллография может помочь вам понять, как «выглядят» белки на уровне, близком к атомному. Но для этого нужно добиться кристаллизации белка… а они этого не любят… ⠀ Кристалл — это «просто» упорядоченная трехмерная решетка повторяющихся единиц — что-то вроде напольной плитки, но в трех измерениях. Если вы знаете, где находится одна точка на одном объекте, вы точно знаете, где в пространстве находится соответствующая точка в каждой другой копии этого объекта, потому что существует «рецепт», которому нужно следовать — например, приклеить одну копию, сделать 2 шага влево и 3 вверх, приклеить еще одну копию и т. д. ⠀ «Идентичные плитки» в белковом кристалле называются «элементарными ячейками», и они состоят из 1 или более копий какой-либо уникальной части, называемой «асимметричной единицей». Эта асимметричная единица сама может содержать одну или более отдельных копий белка. Пространственная группа — это рецепт для создания одной элементарной ячейки из асимметричной единицы, а трансляции решетки — это рецепты для создания целого кристалла из элементарных ячеек. Не стоит слишком беспокоиться об этих терминах (и, вероятно, они станут понятнее, если вы посмотрите на рисунок). Главное, что я хочу, чтобы вы поняли: если вы знаете, что находится в асимметричной единице, и знаете расположение атомов в кристалле, вы можете определить структуру всего кристалла. И вы можете использовать симметричное расположение атомов в кристалле, чтобы определить структуру асимметричной единицы. Причина, по которой дифракционные картины от кристаллов представляют собой серию отдельных пятен, заключается в симметрии кристалла. Эта симметрия обсуждается в контексте сравнения асимметричных единиц — например, атом в одной молекуле белка находится в том же месте в своей «асимметричной единице», что и соответствующий атом в молекуле белка в каждой асимметричной единице. Таким образом, даже если сам белок сильно несимметричен (часто самые интересные из них именно такие), симметрия всё равно присутствует. Таким образом, вы все равно получите равномерно расположенные рассеиватели волн, приводящие к дифракции (ситуация, когда волны конструктивно интерферируют, давая более сильный сигнал). К сожалению, образование этих кристаллов из растворенных белков не всегда легко… Когда что-то растворено, каждая молекула имеет полную оболочку из воды, но для кристаллизации что-то (например, наш белок) должно выйти из раствора. Это означает, что ему нужно «приоритетно» контактировать с чем-то, кроме воды, — например, с другими молекулами белка. Так, например, он обменивает часть молекул воды, которыми был покрыт, на взаимодействие с другими молекулами белка. Но сложность кристаллов заключается в том, что, хотя они представляют собой оптимальные схемы упаковки, они требуют координации, потому что все молекулы должны располагаться одинаково. И если они делают это по-разному, вы просто получаете комковатый белковый «агрегат». Координация требует времени (представьте себе, как правильно собрать пазл, в отличие от простого бросания всех кусочков в коробку). Таким образом, если не дать молекулам времени на координацию, они не смогут кристаллизоваться. Поэтому мы можем использовать методы ускорения, чтобы предотвратить кристаллизацию, когда она нам не нужна, например, при хранении белка после его очистки, когда мы не хотим, чтобы вода внутри и вокруг белка кристаллизовалась и повредила наш белок. Чтобы предотвратить нежелательную кристаллизацию воды, мы можем «быстро заморозить» наш белок, погрузив крошечные пробирки с ним в жидкий азот для быстрого охлаждения, предотвращая образование кристаллов льда. Но в рентгеновской кристаллографии ситуация иная — мы хотим кристаллизации (но нашего белка, а не воды!), поэтому мы хотим медленно способствовать объединению молекул. Как мы можем замедлить этот процесс? Существует множество различных методов. Тот, который я использовал чаще всего, — это «диффузия паров», в основном кристаллизация методом «висячей капли». По сути, вы наносите каплю жидкости, содержащей ваш белок, на стеклянную пластинку, затем переворачиваете пластинку и используете её в качестве «крыши» для углубления в жидкости без белка (резервуара). Поскольку эта жидкость в резервуаре более концентрирована, чем жидкость в капле (потому что резервуар не был разбавлен вашим белком), вода испаряется из капли, помогая «разбавить» резервуар (это не совсем её цель — она пытается полностью выйти из углубления, но есть крышка, поэтому её затягивает внутрь резервуара). Это уменьшает количество воды, доступной для окружения молекул белка. Поэтому молекулы белка начинают связываться друг с другом — будем надеяться, скоординированным образом, что приводит к образованию красивых кристаллов. ⠀ После того, как наши кристаллы выросли и перестали расти (это может занять от нескольких дней до нескольких недель или месяцев в зависимости от кристалла), нам приходится вылавливать их с помощью маленьких петель, замораживать с криопротекторами и хранить в ...