Новая методика для изучения ферментативных реакций

Международная группа исследователей из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab), синхротронного центра Diamond Light Source, а также Оксфордского и Бристольского университетов разработала новую систему доставки образцов. Она расширяет ограниченный набор инструментов для динамических структурно-биологических исследований ферментативного катализа, которые до сих пор в основном ограничивались небольшим числом светозависимых ферментов.

Ферменты — это молекулы (в первую очередь белки), которые чрезвычайно ускоряют биохимические реакции, избирательно связываясь с целевыми молекулами (субстратами). Без ферментов большинство биологических реакций просто не могло бы протекать при температуре и давлении, совместимых с жизнью.

Предыдущие эксперименты успешно описывали временной ход этих реакций, но не хватало знаний о том, как структура катализатора меняется в ходе реакций, — пояснил Ян Керн, научный сотрудник отдела биологических наук в Berkeley Lab и один из ведущих авторов исследования.

Новая методика основана на инновационном подходе команды: нанесении микроскопических капель суспензии кристаллизованного фермента на движущуюся ленту, которая, подобно конвейеру, доставляет образцы к пучку рентгеновского лазера на свободных электронах (XFEL). Исследователи модифицировали дизайн системы «капля на ленте», добавив второе сопло для нанесения переменного числа пиколитровых (одна триллионная литра) капель субстрата поверх более крупной, нанолитровой (одна миллиардная литра) капли суспензии микрокристаллов фермента.

Турбулентность, вызванная столкновением множества мелких капель с крупной, приводит к быстрому и равномерному смешиванию, благодаря чему реакции фермент-субстрат начинаются одновременно во всём образце. Это позволяет собирать серийные данные дифракции в диапазоне времени от ~100 мс до нескольких секунд после начала взаимодействия фермента и субстрата, чтобы создать разрешённое по времени «молекулярное кино» цикла реакции.

Команда проверила свою методику «капля на каплю» на источнике XFEL SACLA в Японии, используя две различные ферментные системы.

«Наш новый подход позволяет отслеживать этапы реакций в ферментах, которые мы раньше не могли визуализировать. Например, мы смогли увидеть, как молекула антибиотика связывается с бета-лактамазой — ферментом, присутствующим у устойчивых к антибиотикам бактерий, который может инактивировать антибиотик», — сказал Керн.

Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.