Создан проект станции второй очереди ЦКП «СКИФ» для решения актуальных задач структурной биологии

Принципиальные оптические cхемы секций станции PINK MX и HARD MX

Ученые Центра коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов» (ЦКП «СКИФ») совместно с коллегами из Московского физико-технического института (МФТИ) и ряда других организаций разработали проект станции второй очереди «Белок». Станция направлена на реализацию самых передовых методов определения кристаллических структур белков и других макромолекул для решения задач структурной биологии, фармацевтики и биотехнологий. Оборудование установки позволит изучать кристаллы микронных размеров и «наблюдать» за изменениями пространственной структуры макромолекулярных комплексов с атомарным разрешением во время прохождения биохимических реакций. Значительная часть запланированных к реализации экспериментальных техник доступна только на синхротронном источнике 4+ поколения. Проект будет представлен для экспертного обсуждения и утверждения на XII Международном форуме технологического развития «Технопром-2025».

«Станция позволит определять структуры самых сложных для исследования объектов, таких как мембранные белки, макромолекулярные комплексы, образованные белками и нуклеиновыми кислотами, комплексы белок-лиганд и антиген-антитело. Такие вещества играют важную роль в различных биохимических процессах и являются перспективными мишенями при разработке лекарств для борьбы с онкологическими, вирусными, аутоиммунными, нейродегенеративными и другими заболеваниями. Кристаллы биополимеров фотосистем, токсинов ядовитых змей, белки бактериофагов, фоточувствительные белки, ферменты для биокатализа и многие другие биополимеры, интересующие сообщество будущих пользователей ЦКП «СКИФ», являются перспективными объектами исследования на станции», - рассказал старший научный сотрудник отдела синхротронных исследований ЦКП «СКИФ» к. х. н. Сергей Архипов.

Предполагается, что станция 2-2 «Белок» дополнит и расширит возможности станции 1-2 «Структурная диагностика». Она должна будет реализовать автоматические высокоскоростные исследования кристаллов белков методом рентгеноструктурного анализа при криогенных и комнатных температурах, микрофокусные эксперименты для исследования кристаллов микронных размеров, в том числе с использованием специализированных инжекционных систем, что позволит определять изменения пространственных структур макромолекул в динамике. По ряду критически важных параметров, включая высокие яркость и когерентность, минимальные размеры пучка, энергетическую гибкость и масштабируемость под новые экспериментальные задачи, разработанная станция превзойдет существующие мировые аналоги. Эксперименты позволят решать задачи как академического сообщества, так и фарминдустрии, поскольку полученные результаты позволяют ускорить поиск лекарственных соединений и создание антител с повышенной чувствительностью к патогену.

На фото: Оборудование станции «Белок» позволит определять трехмерную пространственную структуру таких сложных для исследования белков, как сфингозин-фосфатный рецептор. Белки этого семейства – важный объект для разработки лекарств от диабета, ожирения, сердечно-сосудистых заболевании, болезни Альцгеймера и других расстройства центральной нервной системы. Такие объекты доступны для изучения только на узкоспециализированных станциях синхротронов 4 поколения. При этом концептуальный проект станции «Белок» демонстрирует превосходящие целевые характеристики.

Научные задачи станции

Станция 2-2 обеспечит возможность проведения структурных исследований различных макромолекул и их фрагментов, в частности, родопсинов мембранных светочувствительных белков, роль которых заключается в преобразовании световой энергии в химические сигналы. Ученые встраивают родопсины в мембраны нервных клеток для избирательного возбуждения или подавления работы отдельных нейронов световыми импульсами, чтобы идентифицировать процессы, лежащие в основе памяти, движения, а также различных патологий, таких как эпилепсия или болезнь Паркинсона, что открывает терапевтические пути к восстановлению зрения, слуха и созданию нейропротезов. Для дальнейшего продвижения в этой области, и, в конечном итоге, борьбы с такими заболеваниями, необходимо конструирование белков-инструментов с заданными свойствами, что возможно сделать только при доступности их точных пространственных структур.

Также ученые смогут получать экспериментальные данные для расшифровки трехмерных структур белково-нуклеиновых комплексов, играющих критически важную роль в процессах репарации ДНК и регуляции активности генов, создавать, основываясь на кристаллографических данных, модели рибосом, антибиотики нового поколения, исследовать динамику структурных превращений мембранных белков из класса GPCR, являющихся потенциальными мишенями для таких болезней, как диабет, ожирение, сердечно-сосудистые заболевания, болезнь Альцгеймера и другие заболевания центральной нервной системы. Кроме того, эксперименты позволят устанавливать кристаллические структуры комплексов белков с потенциальными лекарственными соединениями, белок-белковых комплексов, что ускорит инженерию терапевтических антител – важных объектов для лечения онкологических и аутоиммунных заболеваний. В частности, подробные исследования комплексов антигена с антителом необходимы для ускорения разработки и повышения эффективности препаратов на основе терапевтических моноклональных антител, например, препаратов для иммунотерапии Т-клеточных лейкозов.

Потенциальными агентами из области фармакологии также являются кардиотоксины, выделенные из яда кобр, крайтов, коралловых аспидов и некоторых других видов змей. Эти белки воздействуют на широкий спектр рецепторов, каналов и ферментов и служат источником ценных фармакологических инструментов, в частности, противораковых средств. Часто количество выделенных биополимеров из таких биологических источников чрезвычайно мало, что значительно усложняет работу по определению их структур. «Для таких исследований критично использование микрофокусной синхротронной линии, которая позволяет использовать минимальное количество кристаллов изучаемого соединения, что и будет реализовано на станции 2-2», - добавил Сергей Архипов.

Помимо дизайна лекарственных препаратов, структурные исследования белковых молекул играют важную роль в развитии «зеленой» химии, «зеленой» энергетики и разработке биокатализаторов. Эксперименты позволят в динамике проследить происходящий в биомолекулах процесс преобразования световой энергии в результате фотосинтеза, что откроет путь к созданию экологических источников энергии. Структурные исследования ферментов организмов, живущих в экстремальных условиях, позволят точечно модифицировать белки, превращая их в перспективные объекты для создания биокатализаторов.

«Разработанная концепция станции воплощает самые передовые подходы в области синхротронной макромолекулярной кристаллографии и максимально использует преимущества накопительного кольца СКИФ. Станция работает с необычайно ярким и однородным пучком излучения, создаваемым синхротроном 4+ поколения, а ее оптическая схема имеет минимальное количество оптических элементов, что позволяет формировать луч рекордной яркости с минимальными размерами фокуса при сохранении высокой стабильности. В результате создается установка, не имеющая аналогов в мире. Она сочетает выдающиеся характеристики с исключительной гибкостью: здесь можно исследовать как мельчайшие и слабо дифрагирующие кристаллы, так и проводить эксперименты с рекордным временным разрешением. Такой подход не только отвечает современным запросам академических и индустриальных пользователей, но и открывает возможности для исследований будущего», - рассказал заведующий лабораторией структуры и динамики биомолекул МФТИ, д. ф.-м.н. Валентин Борщевский.