Новый метод анализа белков «Pepsi-SAXS» работает в 50 раз быстрее аналогов

Учёными Университета Гренобля и МФТИ под руководством Сергея Грудинина создан высокоэффективный метод расчёта кривых рассеяния рентгеновских лучей для анализа белковых молекул в растворе «Pepsi-SAXS», работающий от 5 до 50 раз быстрее, чем его аналоги. Результаты опубликованы Международным союзом кристаллографии в журнале Acta Crystallographica.

Белки имеют сложную структуру и чрезвычайно маленький размер — порядка нескольких нанометров. Для их изучения приходится изобретать необычные методы, поскольку любое воздействие может разрушить образец или изменить его свойства. Знание о структуре биомолекул и о механизмах их работы позволяет разрабатывать новые лекарства не методом проб и ошибок (высокопроизводительного скрининга, если говорить строго), а основываясь на рациональной базе.

Одним из способов изучения является анализ отражённых от белка рентгеновских лучей. Учёные используют именно рентгеновский, а не обычный свет, поскольку их интересуют атомные размеры, порядка 1/10000 микрона. Видимый свет — это чуть меньше микрона. Поэтому для того, чтобы посмотреть на такие мелкие объекты, нужен свет с очень короткой длиной волны. Таким свойством как раз и обладают рентгеновские лучи.

Мария Гаркавенко, соавтор работы, студентка МФТИ: «Метод „Pepsi-SAXS“ позволяет эффективно и высокоточно строить кривые рассеяния, а также анализировать трёхмерную структуру образца. К примеру, „Pepsi-SAXS“ позволяет повысить эффективность моделирования и предсказания трёхмерных структур макромолекул и многого другого».

Малоугловое рассеяние рентгеновских лучей (SAXS) — это тип малоуглового рассеяния, в котором рентгеновское излучение рассеивается от образца и затем собирается под очень малыми углами. Получается график зависимости интенсивности рассеяния от угла падения. На основе этого графика проводится сравнительный анализ с экспериментальной базой образцов, и затем делается вывод о структуре и свойствах исследуемого белка.

По сравнению с другими методами определения структуры, SAXS гораздо проще и дешевле. Не требуется долгой специальной подготовки образцов, заморозки или кристаллизации белковых соединений. Образцы измеряются прямо в растворе в функциональном состоянии. Таким образом серьёзно улучшается достоверность результатов, поскольку при проведении подготовки образец может менять своё состояние и свойства. Ещё одним очень важным преимуществом метода является то, что разрушительное воздействие рентгеновских лучей на экспериментальный образец незначительно.

Но до недавнего времени методы SAXS обладали существенным недостатком — сложностью вычислений, сильно ограничивающей количество экспериментов. На обработку данных только одного эксперимента уходило порядка 10 часов. В стандартном подходе количество вычислений прямо пропорционально квадрату числа молекул образца, а это число составляло более тысячи. Первая идея, позволяющая упростить расчёты, пришла к немецкому учёному Генриху Штурману в 70-е годы прошлого века. Он предложил описывать рассеяние от молекулярных соединений при помощи специальных сферических функций. Несмотря на то, что  Штурману в силу отсутствия компьютеров приходилось вручную проводить расчёты на бумаге, уже тогда подход показал свою эффективность. Очень много в этой области было сделано выпускниками советской школы, в частности, Дмитрием Свергуном (сейчас работает в Гамбурге), кторый написал большой Пакет Atsas для всевозможных аспектов малоуглового рассеяния на биомолекулах. Эти наработки исследователи использовали в своей работе.

Андрей Казённов, соавтор работы, аспирант МФТИ: «„Pepsi-SAXS“ расшифровывается как „Polynomial expansions of protein structures and interactions’ Small-angle X-ray Scattering“ — адаптивный метод для быстрого и точного вычисления малоугловых профилей рентгеновского рассеяния. „Pepsi-SAXS“ может подстраиваться под размер анализируемого образца и точность экспериментальных данных».

Дополнительно учёные создали эффективную модель водной оболочки анализируемых белковых соединений, что серьёзно улучшает точность результатов работы методики.

Сергей Грудинин, руководитель исследования: «Метод был проверен на большой выборке данных, собранных из двух крупнейших биологических баз данных, BioIsis и SASBDB. Мы продемонстрировали, что „Pepsi-SAXS“ работает от 5 до 50 раз быстрее, чем ранее применяемые методы CRYSOL, FoXS и трёхмерный метод Цернике в SAStbx. При этом „Pepsi-SAXS“ не только не уступает им в точности, а даже выигрывает».

Помимо этого, особое внимание было уделено анализу получаемых результатов и их автоматическому сопоставлению с экспериментальными данными.

На рисунке 1 представлены результаты одной из серий экспериментов — сравнение работы различных применяемых на сегодня методов расчёта на образце SASDAW3 из базы данных SASBDB. На графике показана средняя интенсивность рассеяния от угла рассеяния. Стоит заметить, что ошибка расчётной модели χ2 имеет наименьшее значение у модели «Pepsi-SAXS», что доказывает её высокую точность.