В Институте химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН прошло рабочее совещание, посвящённое структурной и инженерной биологии. Знания о структуре биологических объектов позволяют не только понять, как работает организм человека, но и получить эффективные таргетные препараты. Однако исследования в этой сфере требуют комплексного подхода и сопряжения навыков и знаний из разных направлений наук.

«Структурная биология — основа основ, любой объект мы начинаем изучать с того, что узнаём, как он устроен. Для биологических объектов используется криоэлектронная микроскопия, метод ЯМР (ядерного магнитного резонанса. — Прим. ред.), метод ЭПР (электронного парамагнитного резонанса. — Прим. ред.) и рентгеноструктурный анализ, — объясняет научный руководитель ИХБФМ СО РАН академик Валентин Викторович Власов. — У нас в связи со строительством ЦКП „Сибирский кольцевой источник фотонов“ сейчас появляется возможность более широко использовать рентгеноструктурный анализ, поэтому нам важно обобщить накопленный в институте опыт, подключить коллег из других организаций для планирования и организации будущих работ». По словам Валентина Викторовича, структурная биология — одна из основных тематик исследований на синхротронах, расположенных за рубежом, для России же это новое направление в противоположность материаловедческим станциям, которые так или иначе были опробованы. «При этом основное достоинство рентгеноструктурного анализа — что он позволяет узнать координаты атома в молекуле. Анализ в растворе с помощью метода ЭПР дает схожий результат, но молекула в растворе способна находиться в трёх-четырёх состояниях, и получается усредненная картинка: атом может быть здесь, здесь или здесь. У метода ЯМР есть ограничения на количество атомов», — уточняет Валентин Власов.

Кристаллизация белков, которая необходима для применения рентгеноструктурного анализа, представляет собой сложный процесс, а от качества получившегося кристалла зависит многое. «Пока идёт строительство станции, нам нужно подумать о том, как подготовить объекты для анализа», — акцентирует В. Власов. Кристаллизация белка подразумевает упорядочивание его структуры, при этом для каждого необходимо подбирать свой раствор и свою концентрацию. «Когда речь идёт о кристаллической структуре, мы говорим прежде всего про регулярность. Получившийся кристалл при этом представляет собой скорее „холодец“, чем знакомые нам твёрдые кристаллы типа соляных, он содержит много воды, требует специальных условий хранения и, кстати, довольно быстро сгорает в синхротронном излучении — съёмка занимает от нескольких минут до нескольких десятков минут, а до этого полгода или год идет выделение, очистка и кристаллизация. После того как получены координаты атомов, еще полгода занимает их расшифровка», — рассказывает директор ИХБФМ СО РАН доктор химических наук Владимир Васильевич Коваль. «При этом само синхротронное излучение в установке есть постоянно, а значит, и работы на ней должны вестись каждый день», — подчеркивает Валентин Власов.

Для подобных работ планируется использовать станцию второй очереди «Белок», проект которой уже разработан. Однако начать исследования будет возможно и на станции «Структурная диагностика», она входит в перечень первой очереди. «Для этих исследований нужен очень узкий пучок, буквально десятки микрон, при этом волны в нем должны быть когерентными, то есть совпадать по фазам и частоте», — объясняет Владимир Коваль.

Изучение структур белков необходимо и с фундаментальной, и с прикладной точки зрения. В частности, эти данные использовались для обучения программы AlphaFold, создатели которой удостоились в 2024 году Нобелевской премии по химии за предсказания в области укладки белков. «Именно практически полученные результаты позволили в данном случае делать прогнозы, потому что просчитать вычислительными методами, где какой атом должен располагаться в белке,  не удалось, — говорит Владимир Коваль. — В настоящий момент база данных PDB (protein data bank) содержит информацию о 243 000 структур белковых комплексов, при этом существенная часть из всех 25 000—30 000 белков человека совершенно не изучена, потому что они сложно кристаллизуются, растворяются или выделяются, имеют большие размеры и так далее». Знания из области структурной биологии помогут в создании новых лекарств: если мы знаем структуру рецептора, то мы можем подобрать к нему ингибитор, если мы знаем структуру белка — можем подобрать к нему специфическое антитело и наоборот. «Например, в 2023 году Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) в США зарегистрировало 53 новых лекарства, 38 из них — на основе данных о структурах: моноклональные антитела, аптамеры, нуклеиновые кислоты и так далее. Поэтому фармацевтика всё больше и больше будет использовать информацию о структурах белков», — разъясняет Владимир Коваль.

Заведующий лабораторией геномной и белковой инженерии ИХБФМ СО РАН академик Дмитрий Олегович Жарков предложил для совместной работы сделать перечень доступного оборудования и методов, а также обсудить перспективы исследований в рамках ближайшей сессии Общего собрания СО РАН в ноябре. «Методы структурной биологии активно применяются сейчас в дизайне лекарств, в частности для скрининга фрагментов молекул. Если удалось обнаружить мишень, то используются библиотеки фрагментов для проверки сродства к ней, из которых в дальнейшем, используя знания о структуре белка, in silico конструируется молекула из несколько подобных фрагментов с высоким сродством к мишени. Делать с нуля докинг (предсказывать связь молекулы с мишенью с помощью моделирования. — Прим. ред.) очень сложно, и информация о структуре существенно упрощает этот процесс», — рассказывает Дмитрий Жарков.

Он также упомянул о других структурных методах, которые активно развиваются в настоящее время. Например, одно из таких направлений — времяразрешённая кристаллография. «Некоторые называют её 4D-биология, — уточняет Д. Жарков, — в рамках этого подхода в кристалл добавляется химический реагент, способный его изменить в течение какого-то времени, и эти изменения можно уловить». В качестве другого примера Дмитрий Олегович назвал сериальную кристаллографию, необходимую при исследовании кристаллов, которые невозможно получить приемлемого качества для стандартных методов: в таком случае делается множество снимков объекта для последующей обработки и прояснения структуры. Академик отметил, что существуют сложные для исследования биологические объекты: мембранные белки, крупные мультибелковые комплексы, неструктурированные объекты, нуклеиновые кислоты и так далее. «Нуклеиновые кислоты плохо кристаллизуются, и в этом случае мы предлагаем использовать комплекс „хозяин — гость“. Мы подразумеваем, что можно взять белок, который хорошо кристаллизуется, и добавить к нему нуклеиновую кислоту, что в перспективе позволит получить структурную информацию. В качестве основы можно использовать некоторые ДНК-гликозилазы, ДНК-полимеразы, на этом как раз специализируется наша лаборатория», — добавляет Д. Жарков. 

Заведующая лабораторией биоорганической химии ферментов ИХБФМ СО РАН академик Ольга Ивановна Лаврик рассказала о применении методов структурной биологии к задаче создания ингибиторов ферментов репарации ДНК, обозначив её практическую важность, в частности для направленной и более эффективной терапии различных видов рака. «Системы репарации ДНК регулируют поли(ADP-рибоза)полимеразы 1 и 2, что позволяет рассматривать эти белки как универсальные мишени, поскольку ингибиторы этих ферментов могут влиять одновременно на несколько путей репарации, а таже на другие ключевые клеточные процессы», — подчеркивает Ольга Лаврик.

«В рамка нашего рабочего совещания по структурной и инженерной биологии мы пригласили коллег-химиков (специалистов в органической и неорганической химии), тех, кто занимается методами ЯМР и ЭПР, работающих в области самой структурной биологии, чтобы обсудить планы и перспективы работы. При исследовании структуры биологических объектов стоит говорить о комплексе методов, так как у каждого из них есть свои ограничения, а использование их совместно позволяет получить более детальную картину», — резюмирует Владимир Коваль. Совещание состоялось в середине октября 2025 года и включало более 20 докладов. «Мы надеемся продолжить работу и скоординировать усилия для совместных проектов для начала в Сибири, а затем и в России в целом», — сказал В. Коваль.

Материал подготовлен при поддержке гранта Минобрнауки России в рамках Десятилетия науки и технологий

Текст: Юлия Позднякова.
Источник: «Наука в Сибири».