РЕАЛИЗАЦИЯ В НЕВЕСОМОСТИ ОПТИМАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ САМООРГАНИЗАЦИИ МОЛЕКУЛ БЕЛКА

© В.И.Стрелов, И.Ж.Безбах, В.В.Сафронов
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "К.Э. Циолковский и проблемы космического производства"
2010 г.

В основе экспериментов по росту кристаллов белков в условиях космического пространства лежит использование фактора невесомости для получения материалов с высоким структурным совершенством, что позволяет установить структуру таких биосистем с атомарным разрешением, а также получение новых фундаментальных знаний о влиянии гравитации на процессы тепломассопереноса в растворах.

Многочисленные результаты космических экспериментов доказали, что микрогравитационная среда более благоприятна для роста кристаллов белков, т.к. в условиях невесомости число разновидностей закристаллизовавшихся белков было не только больше по количеству и размерам кристаллов, а, что самое главное, они были более высокого структурного совершенства, чем их аналоги, выращенные на Земле. Улучшение качества выращенных в условиях микрогравитации кристаллов оценивалось путем анализа предельного дифракционного разрешения, индивидуальной пиковой мозаичности и электронных карт плотности. Многие выращенные кристаллы белков показали улучшения разрешения до (0,5-1,2) Å, что практически не достигалось при выращивании их аналогов в земных условиях.

Анализ результатов космических экспериментов показал, что в невесомости появляется возможность обеспечить чисто диффузионный механизм массопереноса в кристаллизационных растворах и минимизировать массоперенос, обусловленный возникновением концентрационной неоднородности вокруг растущего кристалла. Преобладание диффузионного массопереноса над конвекционным при доставке молекул к поверхности растущего кристалла и позволяет в первую очередь получить кристаллы лучшего качества при пониженной плотности дефектов. При земной гравитации конвекционный массоперенос, обусловленный градиентом концентрации, как правило, всегда доминирует над диффузионным. Также еще одним из преимуществ невесомости является отсутствие седиментации (осаждения).

Проводимые нами исследования направлены на решение проблемы получения в условиях невесомости высококачественных кристаллов белков с реализацией в разрабатываемом методе кристаллизации чисто диффузионного механизма массопереноса в кристаллизационных растворах при исключении конвекций любого вида с прецизионной (± 0,1°C) стабилизацией температуры всего раствора и управлением температурой кристаллизации в локальной точке раствора как на этапе зарождения, так и роста. Этот способ температурного управления процессом кристаллизации белка является значительно более технологичным, управляемым и более эффективным (коэффициент теплопроводности в растворах белка на два порядка выше коэффициента его диффузии) для выращивания высокосовершенных кристаллов по сравнению с известными традиционными методами, при этом исключается конвекция в растворе, а также минимизируется влияние вибраций на процессы кристаллизации, и, таким образом, обеспечиваются чисто диффузионные условия массопереноса белка, т.е. условия самоорганизации макромолекул белка при встраивании их в кристаллическую решетку.

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