Новости

07.12.2016 14:54
Рубрика: Общество

Цена и время на одних весах

Для чего опять готовят в космос "Белку"
Заместитель директора по науке ФНИЦ "Кристаллография и фотоника" РАН Алексей Волошин сделал на первом в России кристаллографическом конгрессе пленарный доклад и на одной из секций вел заседание по космическому материаловедению, где прозвучало сообщение об уникальной аппаратуре "Белка" для кристаллизации белков в космосе. При первой же возможности мы попросили его ответить на несколько актуальных вопросов.
Чтобы работать с кристаллами белка на земле, а тем более в космосе, дал понять Алексей Волошин, нужны не только время и деньги, но и кооперация с партнерами. Фото: Михаил Синицын Чтобы работать с кристаллами белка на земле, а тем более в космосе, дал понять Алексей Волошин, нужны не только время и деньги, но и кооперация с партнерами. Фото: Михаил Синицын
Чтобы работать с кристаллами белка на земле, а тем более в космосе, дал понять Алексей Волошин, нужны не только время и деньги, но и кооперация с партнерами. Фото: Михаил Синицын

В день открытия конгресса было сказано, что самые дорогие кристаллы в мире - кристаллы белка. С чем это связано?

Алексей Волошин: Процесс получения кристалла белка включает в себя много стадий, и они довольно дорогие. Начинается все с наработки белка - выделения (экспрессии) его из каких-либо культур (биологических объектов). Затем следует стадия очистки, которая может включать несколько этапов: центрифугирование, хроматографию, несколько приемов перекристаллизации, поскольку для выращивания кристаллов необходим реактив достаточно высокой степени чистоты. В результате наработка примерно 100 микролитров раствора белка может стоить от нескольких сотен тысяч рублей до нескольких миллионов.

Для получения белкового кристалла нужен как минимум год. В более сложных случаях - несколько лет

После этого необходимо подобрать условия кристаллизации: выбрать подходящее вещество-осадитель, а также оптимальные концентрации растворов белка и осадителя. Для этого требуется проведение нескольких десятков экспериментов - и это, заметьте, не в самых трудных случаях.

А в трудных?

Алексей Волошин: Тут количество проб может составлять сотни, а то и тысячи. Это можно делать вручную, что занимает месяцы и даже годы. Либо использовать весьма дорогостоящее оборудование - роботизированные станции, которые сами "раскапывают" пробы по ячейкам и следят за образованием в них кристаллов. Стоимость таких машин - несколько миллионов долларов.

Поскольку для расшифровки структур с высоким пространственным разрешением нужны и кристаллы с высоким структурным совершенством, требуется обеспечить соответствующие условия для самого процесса кристаллизации. Такие, чтобы минимизировать образование дефектов. Все это занимает много времени и требует наличия специального, порой весьма дорогостоящего оборудования.

А сколько времени занимает процесс получения белкового кристалла?

Алексей Волошин: От наработки до выращивания, как правило, не меньше года. В более сложных случаях - несколько лет. В результате многотрудной и продолжительной деятельности удается вырастить кристаллы размером в несколько сотен микрон. И если суммировать все затраты, становится очевидным, что стоимость таких кристаллов составляет несколько миллионов рублей. А стоимость бриллианта в 1 карат (размером 6,4 мм) - это примерно 500 тысяч.

Для расшифровки структуры белковых молекул нужны кристаллы без дефектов. Фото: Юрий Макаров

Чем объясняется особый интерес ученых к белковым кристаллам?

Алексей Волошин: Кристаллы белков используются исключительно для расшифровки структуры белковых молекул. Здесь используется то обстоятельство, что рентгеноструктурный анализ кристаллов позволяет определить размещение (координаты) всех атомов в элементарной ячейке. Поэтому из белковых молекул стараются получить кристаллы, чтобы затем подвергнуть их рентгеновскому дифракционному исследованию.

Знание структуры белковой молекулы позволяет понять механизм ее функционирования. Дальнейшее применение этих знаний зависит от тех функций, которые этот белок выполняет. Если эти функции полезные, можно пытаться эту молекулу модифицировать, чтобы их усилить. Если вредные (например, в случае белков болезнетворных бактерий) - подобрать вещества, подавляющие эти функции.

150 белковых структур расшифровано или уточнено в совместных российско-японских экспериментах на МКС

По этой причине в большинстве случаев расшифровка структуры белковых молекул используется при создании новых лекарств. Помимо этого результаты таких исследований широко применяются в сельском хозяйстве (например, для повышения устойчивости растений к природным факторам), в биотехнологиях и т.д.

Какие способы получения белковых кристаллов известны и востребованы?

Алексей Волошин: Наиболее популярными являются два метода. Первый - так называемый метод висячей капли. Кристаллизация проводится в закрытой ячейке, куда заливается раствор осадителя, а на нижнюю часть крышки наносится капля раствора белка. Пары осадителя поднимаются вверх и проникают в каплю раствора белка, где и происходит образование кристаллов.

Второй метод - метод встречной диффузии в капилляре. Раствор белка заливается в капилляр диаметром 0,3-0,5 мм, на его конец одевается трубка, заполненная гелем. Этим концом капилляр помещается в раствор осадителя, который медленно диффундирует через гель в капилляр, где и происходит кристаллизация.

Поскольку слой раствора в капле мал, и также мал диаметр капилляра, движение раствора в обоих случаях затруднено.

С какой целью эксперименты по кристаллизации белков вынесены в космос?

Алексей Волошин: В невесомости конвекция подавляется еще сильнее, что позволяет выращивать еще более совершенные кристаллы белков.

Мы в этом деле пионеры? Или в догоняющих?

Алексей Волошин: В целом мы находимся на мировом уровне, хотя количество экспериментов по расшифровке структуры белков в России значительно меньше, чем в США или Японии. Однако это связано не с ситуацией в нашей науке, а с положением дел в фармацевтической промышленности. В упомянутых странах эти исследования практически полностью инициированы запросами фармацевтических компаний, тогда как у нас они почти отсутствуют, и работы ведутся главным образом в области фундаментальных исследований.

С другой стороны, российские ученые имеют наиболее легкий (по сравнению с учеными других стран) доступ к космическим лабораториям. Это позволяет постоянно совершенствовать аппаратуру для выращивания кристаллов в космосе.

Какие этапы исследований, связанных с влиянием микрогравитации на рост и свойства кристаллов, были отработаны на станции "Мир" и чего удалось добиться?

Алексей Волошин: На станции "Мир" был проведен первый эксперимент по выращиванию кристаллов в космосе. В 1976 году был выращен кристалл алюмокалиевых квасцов. Было показано, что рост кристаллов в космосе принципиально возможен. Позднее проводились эксперименты по выращиванию кристаллов полупроводников. Было обнаружено, что даже в ампуле возможен рост кристалла без контакта с ее стенками. Было получено несколько новых кристаллов, получение которых на Земле было невозможно (например, кристалл InBi). Попутно были изучены факторы, влияющие на образование дефектов в таких кристаллах при росте в невесомости. Также проводились одни из первых экспериментов по кристаллизации белков, в которых было обнаружено повышение их структурного совершенства.

В целом отрабатывались подходы, методы и аппаратура для выращивания кристаллов в космосе.

Какие эксперименты проводились и проводятся сейчас на беспилотных аппаратах?

Для борьбы с белковыми кристаллами создается специальное оборудование. Фото: Юрий Макаров

Алексей Волошин: Принципиально такие же, как и на пилотируемых станциях. Но поскольку полеты спутников происходят реже, чем экспедиции на МКС, на беспилотных аппаратах отрабатывают, как правило, какие-то новые решения в области аппаратуры и методов управления.

Много говорилось об эксперименте "Плазменный кристалл" на МКС. А про ваши работы совместно с японскими коллегами известно очень мало. Могли бы восполнить пробел?

Алексей Волошин: Наши эксперименты с японскими коллегами идут с 2009 года. За это время проведено более 300 экспериментов по кристаллизации белков, расшифровано или уточнено более 150 структур. Работа с японской научной аппаратурой позволила выявить ее преимущества и недостатки, что было учтено при разработке нового отечественного модуля "Белка" для кристаллизации белков в невесомости.

Какая аппаратура НИЦ "КИ" задействована в этих экспериментах? И каких результатов от ее использования можно ожидать?

Алексей Волошин: Аппаратура для наработки белков и роботизированный комплекс для подбора условий кристаллизации. А получить мы рассчитываем новые знания о процессах роста кристаллов, которые могут быть использованы также и на Земле. Ищем новые подходы к росту в космосе полупроводниковых кристаллов и пленок для повышения их структурного совершенства. В ряде случаев можно ожидать создания новых кристаллических материалов и расшифровки структуры новых белковых молекул.

Общество Наука Наука и образование РАН