МЕТОД ТЕМПЕРАТУРНО-УПРАВЛЯЕМОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ БЕЛКОВ В УСЛОВИЯХ МИКРОГРАВИТАЦИИ

© И.Ж.Безбах, Б.Г.Захаров, В.В.Сафронов, В.И.Стрелов
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "К.Э. Циолковский и проблемы космического производства"
2017 г.

Кристаллизация белков в настоящее время является важной самостоятельной областью исследований. Это связано с потребностями структурной биологии: кристаллы необходимы для установления пространственной структуры биомакромолекул на атомном уровне методами рентгеноструктурного анализа, без чего невозможно понять механизм функционирования биологических систем и их биологическую активность. Это знание является востребованным в практических потребностях биотехнологии, биоинженерии, медицины, фармакологии.

Известно, что создание условий диффузионного массопереноса позволяет избежать неоднородностей в структуре кристалла. Проведенные к настоящему времени многочисленные опыты показывают, что преобладание диффузионного массопереноса над конвекционным при доставке молекул к поверхности растущего кристалла позволяет получить кристаллы лучшего качества, понижая при этом плотность дефектов. Однако, в условиях земной гравитации конвекционный массоперенос, как правило, всегда доминирует над диффузионным. Проведённые к настоящему времени эксперименты на борту космических аппаратов (КА) продемонстрировали возможность осуществления массопереноса, в основном, посредством диффузии. Кроме того, еще одним из преимуществ невесомости является отсутствие осаждения («седиментации»).

Основные методы кристаллизации белков, которые разработаны и ныне используются для выращивания кристаллов (метод диализа, свободной диффузии через поверхность раздела, диффузии паров растворителя), не позволяют оперативно управлять процессом кристаллизации ни на первой (зародышеобразование), ни на второй (рост) стадиях этого процесса. Поэтому актуальной и важной задачей является разработка новых эффективных методов, аппаратуры и технологий управляемого получения высококачественных кристаллов биомакромолекул, в особенности, в космических условиях.

В этой связи основной целью работы авторов является разработка и испытание (в особенности, в условиях микрогравитации) научной аппаратуры (НА), в которой будет реализован метод температурно-управляемой кристаллизации белков. Испытания проводились на примере выращивания в капиллярах кристаллов белков, в особенности, широко используемого как модельный протеина лизоцима, осуществлялись в ходе полёта на борту КА «Фотон-М4».

Предлагаемый подход к решению проблемы кристаллизации белков с высоким совершенством структуры получаемых кристаллов заключается в реализации метода температурно-управляемой кристаллизации, обеспечивающего управление процессом роста кристаллов как на этапе их зародышеобразования, так и в процессе дальнейшей кристаллизации. В земных условиях этот метод обеспечивает приближение к диффузионному массопереносу, а в условиях микрогравитации – чисто диффузионный механизм массопереноса при исключении конвекций любого вида при прецизионной ±(0.1–0.2)°C стабилизации температуры и управлении ею в ходе процесса кристаллизации.

Для микрогравитационных исследований на основе проведённых наземных экспериментов и разработанного наземного образца НА для роста кристаллов на борту КА «Фотон-М4» была разработана и изготовлена простая по конструкции (массой до 5 кг) ростовая установка, обеспечивающая в течение одного цикла управляемый рост кристаллов белков в шести капиллярах.

Результаты космического эксперимента продемонстрировали надёжное функционирование разработанной НА и большие возможности температурно-управляемого метода кристаллизации для выращивания совершенных кристаллов белков, в том числе в условиях микрогравитации.

Реализованный метод управляемой кристаллизации обеспечивает оперативное раздельное управление процессом роста кристаллов, требует малого количества растворов белка, делает возможным проведение дифракционных исследований на выращенных высокосовершенных кристаллах. НА обеспечивает полностью автоматическое проведение экспериментов на борту КА с использованием бортового компьютера.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований и Правительства Калужской области (грант № 14-42-03119).