В настоящее время наиболее точным и информативным методом исследования структуры сложных белковых молекул является измерение сдвигов пиков ядерного магнитного резонанса (ЯМР) этих молекул. В Объединенном институте ядерных исследований на сегодняшний день имеются все условия для создания ЯМР-спектрометра, а благодаря новому изобретению ОИЯИ такой спектрометр мог бы регистрировать радиационные повреждения молекул излучением в реальном времени, что повысит информативность исследований.

По словам автора изобретения, старшего научного сотрудника Лаборатории ядерных проблем, к. ф.-м. н. Сергея Доли, ЯМР-спектроскопия обладает уникальными возможностями для исследования в области белковых молекул, которые способны, например, образовывать из мономеров полимеры, работая как бы по заданному алгоритму. Однако в современных спектрометрах регистрация влияния поглощенной дозы радиации на молекулу проводится после их облучения, что не позволяет видеть картину повреждения белковых молекул радиацией непосредственно в процессе их облучения. Новый же способ экспресс-анализа структуры живых белковых молекул позволяет получать информацию о них в динамическом режиме, в момент проведения радиоактивного облучения.

Сущность нового изобретения заключается в том, что при выполнении ЯМР-спектроскопии живых белковых молекул одновременно с этим можно проводить их радиационное облучение и сравнивать скорость выхода химической реакции с контрольным образцом. По результатам измерений можно получать информацию о влиянии поглощенной дозы радиации на скорость протекания биохимической реакции. Технический результат заключается в обеспечении возможности быстро, непосредственно в процессе протекания химической реакции под воздействием радиационного облучения белковых молекул осуществлять и определять химические сдвиги в живых белковых молекулах с помощью ЯМР-спектроскопии.

«За этими молекулами мы можем наблюдать непосредственно в процессе их работы и под облучением. ЯМР-спектрометрия показывает, какой участок молекулы мы травмировали нашим излучателем и как это повреждение повлияло на работоспособность молекулы, — комментирует изобретение Сергей Доля. — С применением нового способа мы сможем увидеть то, что другие исследователи, возможно, пропускали: молекулы сначала облучали, а затем измеряли сдвиги ЯМР-пиков, но за это время структура молекулы могла измениться. Более того, данный способ позволяет следить за работоспособностью молекулы «вживую», непосредственно во время облучения».

Схема установки по экспресс анализу ингибирования живых белковых молекул. (1) — источник радиации, (2) — исследуемый образец, (3-5) — измерители концентрации исходного вещества и продуктов реакции: глюкометр (3), алкометр (4), газовый анализатор (5); (6) — сверхпроводящий соленоид, (7) — узкополосный генератор радиоизлучения, (8) — приемник, настроенный на частоту генератора

Ученый добавил, что источники излучения могут быть совершенно разными: для исследований подойдут и электронные, и протонные, и нейтронные пучки. «Если облучать молекулы нейтронами – будет один эффект, если тяжелыми ионами – другой эффект. Это связано с тем, что молекула ДНК состоит из двух нитей, которые скручены в спираль. Тяжелые ионы сразу перебивают две нити спирали, гамма-кванты повреждают только одну. В результате спираль, имея копию себя, может легко восстановиться после облучения гамма-лучами, но ей будет труднее восстановиться после облучения тяжелыми ионами. Новый способ анализа позволит отслеживать по скорости биохимической реакции, как радиационное повреждение повлияло на работоспособность молекулы, какие травмы оказались смертельными, а какие позволили молекуле восстановиться и за какое время», — сказал Сергей Доля.

Примеров молекул, которые могут быть подвергнуты подобному анализу, очень много. Одними из них являются энзимы – биологические катализаторы. Как рассказал Сергей Доля, их действие можно сравнить с игрой в тетрис. В тетрисе, как известно, на поле падают фигурки из квадратиков разной формы. Если они падают произвольно, то очень редко могут заполнить ряд целиком. Но если человек с помощью джойстика вращает их в нужном направлении, то таким образом заполняется большое количество рядов. Катализатор работает по такому же принципу: сам не участвуя в реакции, он разворачивает молекулы в нужном направлении и соединяет так, чтобы скорость реакции увеличилась. При этом для биологических объектов скорость протекания реакции увеличивается в сотни тысяч раз.

Пока ЯМР-спектрометра в ОИЯИ нет, но предпосылки для того, чтобы его создать, есть. Для этого нужен сильный сверхпроводящий магнит с однородным магнитным полем. В центре магнита должно быть предусмотрено отверстие, сквозь которое в магнитное поле будет вводиться исследуемый образец.

Сдвиг пика ЯМР-резонанса напрямую зависит от величины магнитного поля, и если магнитное поле будет неоднородным, то для разных его областей величина сдвига резонанса будет различной, и пик размоется. Таким образом, точность показаний спектрометра напрямую зависит от точности изготовления магнита. «В ОИЯИ как раз хорошо умеют рассчитывать и изготавливать такие магниты», — пояснил Сергей Доля.

Магнит для ЯМР-спектроскопии похож по структуре на магнит для разрабатываемого в ОИЯИ медицинского протонного ускорителя MSC-230. Скорее всего, для ускорителя будет изготовлен вначале промежуточный модельный магнит, который впоследствии можно будет использовать для нужд спектроскопии белковых молекул с помощью ядерного магнитного резонанса.

Патент на изобретение «Способ экспресс-анализа ингибирования живых белковых молекул» был получен Объединенным институтом ядерных исследований 18 июля 2022 года.