ОДИН БЕЛОК, ПОЙМАННЫЙ В ПОЛЁТЕ РЕНТГЕНОВСКОЙ ВСПЫШКОЙ

Чтобы понять, как работает белок, биологи хотели бы видеть, как он меняет форму. Для этого нужно разглядеть одну-единственную молекулу под многими углами с помощью излучения очень малой длины волны. Проблема в том, что электроны и рентгеновские лучи — единственные достаточно мощные зонды — заодно повреждают молекулу, которую отображают. Криоэлектронная микроскопия обходит это, замораживая тысячи молекул во льду и усредняя множество зашумлённых снимков.

Рентгеновские лучи выделяют на одно событие рассеяния примерно в тысячу раз больше энергии, чем электроны. Но есть лазейка, известная как «дифракция до разрушения»: при импульсе рентгеновского лазера на свободных электронах длительностью всего несколько фемтосекунд картина рассеянного света регистрируется прежде, чем молекула успеет разлететься. Молекулу не нужно ни замораживать, ни закреплять — её можно поймать в полёте. До сих пор это удавалось с крупными вирусами. Один-единственный белок, отображённый в 3D жёстким рентгеном, оставался недосягаем.

Кровь дождевого червя в вакууме

Большая международная команда под руководством Пола Лурду Ксавьера и Генри Чепмена из DESY в Гамбурге вместе с European XFEL и десятками институтов по всему миру выбрала эритрокруорин — гигантский гемоглобин, очищенный из крови примерно сотни дождевых червей. Он весит 3,6 мегадальтона и имеет высокосимметричную форму: два кольца, уложенных друг на друга, с отверстием посередине.

Белки распыляли в мелкие капли, нейтрализовали и фокусировали в узкий пучок, летевший через вакуумную камеру со скоростью около 100 метров в секунду. Чтобы уменьшить фоновое свечение остаточного газа, добавляли гелий. Поперёк этого пучка били импульсы European XFEL в Шенефельде (Германия): рентгеновские фотоны с энергией 6 килоэлектронвольт, сжатые в пятно размером 180 на 220 нанометров, каждый импульс длительностью около 25 фемтосекунд.

Каждая вспышка ионизирует примерно три четверти атомов молекулы — но заканчивается прежде, чем вызванный ею взрыв успеет размыть картину.

270 миллионов кадров ради одной формы

За 21 час детектор записал 270 миллионов кадров.
Лишь 188 557 из них — 0,07% — содержали дифракционную картину, в основном от одного белка.
Лучшие 50 000 рассортировали на 144 группы со сходными углами обзора, что дало плоские проекционные изображения с разрешением около 15 ангстрем.
По 26 908 отобранным картинам команда восстановила дифракцию в трёх измерениях, а затем оставила 1248 самых чистых, чтобы рассчитать трёхмерную карту электронов белка с разрешением около 20 ангстрем. На ней видны центральное отверстие и симметрия шестого порядка, ожидаемая по известной структуре.

Белок, сжимающийся в полёте

Все трёхмерные реконструкции оказались компактнее известной кристаллической структуры, особенно вдоль короткой оси. Команда связала это с самим вакуумом: вне воды белок сжимается. Компьютерное моделирование всей молекулы это подтверждает: за первую наносекунду она сжимается на 2,5%, а затем медленнее. Именно эта разница между молекулами, вероятно, делает трёхмерное изображение более размытым, чем двумерные.

Авторы перечисляют следующие шаги: защитить белки от такого схлопывания — с помощью капель поменьше, более короткого пути или мгновенной заморозки, либо доставляя их в сверхтонкой жидкой плёнке; а также более стабильные, короткие и мощные рентгеновские импульсы. Моделирование показывает, что по мере повышения чёткости изображений радиационные повреждения будут играть всё большую роль.

К фильмам об отдельных молекулах

Двадцать ангстрем — это ещё далеко не атомы. Но авторы называют результат целью, к которой шли почти три десятилетия: один изолированный белок, отображённый в трёх измерениях жёстким рентгеном, без кристаллов и заморозки. Дальше маячит обещание времени — запустить белок и поймать его в разгар движения, вспышка за вспышкой.