Выращивание кристаллов белков в условиях микрогравитации

THE PROCESS OF GROWING PROTEIN CRYSTALS IN MICROGRAVITY

Dik Anastasija, student, North-Western State Medical University named after I.I. Mechnikov, Saint-Petersburg, Russia

Введение. Белки выполняют важнейшие функции в организме, изучение их структуры позволяет понять точные механизмы функционирования белковой молекулы, модифицировать ее, усилить или ослабить действие. Наиболее информативными для изучения структуры молекулы являются кристаллические формы белка. Выращивание кристаллов на Земле дает продукт недостаточно высокого качества, в связи с чем в настоящее время активно развивается такое направление, как выращивание кристаллов различных типов молекул в условиях микрогравитации на борту космических станций. Первые эксперименты проводили в 1976 году на станции "Салют", с 2005 года в России действует программа космических исследований по выращиванию белковых кристаллов в условиях невесомости, однако более интенсивное развитие в мире, в т.ч. с участием российских ученых, данное направление получило в минувшие несколько лет.

Цель исследования. Изучить современные подходы к выращиванию кристаллов молекул, имеющих медицинскую значимость, особенности и перспективы их использования. Проанализировать преимущества космических лабораторий.

Материалы и методы. Данные международного эксперимента, проводимого на базе корабля "Союз ТМА-17М", японского модуля «Кибо» и МКС с участием ЦНИИМаш и РКК "Энергия". Данные исследований проекта NIH «CounterACT», проведенных с использованием капсулы SpaceX Dragon-11. Метаанализ и изучение научной литературы российских и зарубежных авторов.

Результаты. При участии Курановой И. и Самыгиной В. были разработаны и испытаны устройства, использующиеся для выращивания кристаллов белков на МКС. Ведутся работы по выращиванию кристаллов фермента AChE (ацетилхолинэстеразы). На Земле их рост ограничен достижением небольших размеров. Целью данного исследования является создание противоядия к нервно-паралитическим веществам, используемым в химической войне, таким как VX, зарин, основанного на быстром разрушении связи с органофосфатами OP-AchE. В работе японских исследователей группы Йошио Вада присутствует широкий спектр белков, включающий молекулы фармацевтической, вирусологической значимости, а также предполагаемые к использованию в решении экологических проблем, например, уничтожении мусора. Российские исследования направлены на выращивание малоизученных белков-шаперонов, также называемых белками теплового шока. Не считая регуляции построения правильных белковых структур, шапероны имеют важное свойство – они способствуют распознаванию иммунной системой опухолевых клеток. Однако, для выяснения точных механизмов их взаимодействия с рецепторами клеток необходима кристаллизация высокого качества. Для выращивания однородных кристаллов необходима предварительная подготовка, тщательная очистка от примесей с достижением 99,9% чистоты. В условиях микрогравитации снижена конвекция, подавляется движение жидкости в растворе. Образующиеся в таких условиях кристаллы имеют предел дифракции лучше, чем у кристаллов, выращенных на Земле.

Выводы. В условиях микрогравитации на МКС становится возможным получение более правильных, однородных кристаллов, которые невозможно вырастить на Земле. Наибольший эффект наблюдается при выращивании на орбите кристаллов белка. Белковые кристаллы - самые дорогие из существующих, по стоимости превышают бриллианты соизмеримых размеров. Исследование их структуры играет ключевую роль в разработке лекарств, понимании механизмов функционирования организма на молекулярном уровне. Для получения готовых лекарственных форм и их массового производства предстоит пройти еще множество этапов исследований, однако уже сейчас очевидна ценность и эффективность методов выращивания кристаллов в космосе и перспективы дальнейшего их изучения.