ПЕРСПЕКТИВЫ ВЫРАЩИВАНИЯ КРИСТАЛЛОВ БЕЛКОВ В КОСМОСЕ

© В.И.Стрелов, В.В.Сафронов, И.Ж.Безбах
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "К.Э. Циолковский и проблемы космического производства"
2009 г.

Одним из наиболее важных направлений бионанотехнологий является поиск и создание фармакологических препаратов, обладающих высокой специфичностью действия на клетки-мишени в организме. Этапу создания конкретных лекарственных форм предшествует накопление знаний о структурно-функциональных взаимосвязях, характеризующих данную биосистему. В этой связи кристаллизация биологических макромолекул и их комплексов является жизненно важной частью метода рентгеноструктурного анализа, позволяющего установить структуру таких биосистем с атомарным разрешением только при наличии совершенных кристаллов.

Пока что на данном этапе исследований механизмы кристаллизации биообъектов не полностью понятны. Принято считать, что качество кристаллов зависит от флуктуаций локального перенасыщения раствора протеина вблизи фронта кристаллизации, а флуктуации, в свою очередь, зависят от внешних условий, таких как конвекция (т. е. процессы тепломассопереноса в растворе), вибрации, микроускорения и т. д., и внутренних причин, связанных с кинетикой роста. Кроме того, предположение об определяющем влиянии конвективных течений и вибраций на процесс кристаллизации предполагается из-за слабых сил связи между молекулами в биокристаллах.

Необходимо отметить, что до сих пор не существует универсальной и эффективной методики получения биокристаллов. Основные методы кристаллизации в земных условиях биообъектов, которые разработаны и ныне используются для выращивания кристаллов (метод диализа, свободной диффузии через поверхность раздела, диффузии паров растворителя), имеют существенный недостаток: при выращивании кристаллов этими методами в растворе присутствуют конвективные течения, существенным образом влияющие на качество выращиваемых биокристаллов. В связи с этим, актуальной и важной является разработка новых эффективных методов и технологий получения высококачественных кристаллов биомакромолекул.

В этой связи невесомость позволяет обеспечить диффузионный механизм массопереноса в кристаллизационных растворах (при исключении конвекций любого вида), что обеспечивает условия самоорганизации молекул белка при встраивании их в кристаллическую решетку и позволяет реализовать высокое совершенство выращиваемых кристаллов. Кроме того, в невесомости появляется возможность минимизировать массоперенос, обусловленный возникновением концентрационной неоднородности вокруг растущего кристалла. Проведенные к настоящему времени эксперименты на борту космических аппаратов показывают, что преобладание диффузионного массопереноса над конвекционным при доставке молекул к поверхности растущего кристалла позволяет получить кристаллы лучшего качества при пониженной плотности дефектов. При земной гравитации конвекционный массоперенос, обусловленный градиентом концентрации, как правило, всегда доминирует над диффузионным. Так же еще одним из преимуществ невесомости является отсутствие седиментации.

Исследования проведены при финансовой поддержке РФФИ и правительства Калужской области (грант № 09-02-97519).