- Катепсин В паразита и человека
- Существующие методы лечения трипаносомоза
- Новые подходы в лечении сонной болезни
- Техника кристаллографии
- Возможности рентгеновского лазера LCLS
Используя самый мощный рентгеновский лазер в мире, ученые обнаружили возможную Ахиллесову пяту паразита сонной болезни, который угрожает более 60 миллионам жителей Африки южнее Сахары. Сложный анализ помог выявить схему молекулы, используя которую можно выборочно блокировать жизненно важный фермент паразитов вида Trypanosoma brucei. Если вставить такую искусственно сделанную молекулу в нужное место фермента, это могло бы дезактивировать и убить паразита.
Команда во главе с ученым DESY (нем. Deutsches Elektronen-Synchrotron, «Немецкий Электронный Синхротрон»), профессором Генри Чепменом, профессором Гамбургского университета Кристианом Бетцелем и доктором Ларсом Редеке из объединенной младшей исследовательской группы «Структурная инфекционная биология с использованием новых источников излучения (SIAS)» университетов Гамбурга и Любека сообщают о результатах своей работы в журнале Science. «Это - первая новая биологическая структура, выявленная с помощью лазера на свободных электронах», - сказал Чепмен.
Катепсин В паразита и человека
Исследователи обнаружили крошечные кристаллы фермента паразита катепсин B при помощи мощного рентгеновского лазера на свободных электронах (LCLS) в Национальной лаборатории катализаторов (National Accelerator Laboratory SLAC) в Калифорнии. «Данный фермент рассматривался как перспективная цель для лечения в более ранних испытаниях», - сказал Редеке, один из первых авторов данной научной работы. «Блокирование этого существенного фермента у паразитов действительно вылечивало инфекцию у мышей».
Но тот же самый фермент является также частью биохимии человека и, фактически, всех млекопитающих, и его блокирование может иметь серьезные последствия. Проанализировав их, ученые смогли точно определить отличительные структурные различия между формой данного фермента у человека и фермента паразита.
«Это может позволить проектировать молекулу, которая выборочно блокирует фермент паразита, не навредив пациенту», - объяснил другой ведущий ученый данной работы Кароль Насс, доктор философии, студент Гамбургской школы структуры и динамики инфекций (Hamburg School for Structure and Dynamics in Infection - SDI), финансируемой инициативной группой Excellence Initiative немецкой федерации Гамбурга (LEXI).
Исследователи подчеркивают, что, в то время как данное открытие вселяет надежды, необходимо проделать ещё немалый путь, чтобы возможность возникновения нового способа лечения стала реальной.
Существующие методы лечения трипаносомоза
Сонная болезнь или человеческий африканский трипаносомоз передается укусом мухи цеце. Паразиты вида Trypanosoma вторгаются в центральную нервную систему, и без лечения инфекция обычно приводит к смертельному исходу. Эта болезнь обычно наблюдается в 36 странах южнее Сахары и затрагивает главным образом бедное население, живущее в отдаленных сельских районах. Благодаря усиленным мерам контроля, число зафиксированных случаев резко упало в последние годы, но миллионы всё ещё подвержены риску.
Существующие методы лечения трипаносомоза, основанные на применении антипаразитических препаратов, которые разработаны без применения знаний в области биохимии. Они не всегда так эффективны и безопасны, как хотелось бы, и паразиты становятся всё более и более устойчивыми к ним. Новые препараты, которые выборочно убивают паразита, не затрагивая собственный организм пациента, могли бы иметь широкое применение.
Новые подходы в лечении сонной болезни
На катепсине B ученые применили новый подход, исследуя крошечные кристаллы фермента, которые были выращены в клетках насекомого в естественных условиях. Фермент был заморожен в его изначальной форме, которая включает естественный ингибитор. Поскольку катепсин B является своего рода «молекулярными ножницами», с помощью которых он «срезает» другие белки, он воспроизводится клеткой в ингибированной форме и активируется только при необходимости.
В ингибированной форме маленькая молекула белка блокирует передний край «молекулярных ножниц». «Пока белок ещё находится на своём месте, можем всмотреться ниже на непроницаемую часть структуры катепсина B», - объяснил Бетцель. Анализ показал существенные различия между связями белка в ферменте паразита и человеческой форме катепсина B. «Этот путь природа предоставила нам, чтобы мы могли видеть, на что похож искусственный ингибитор для фермента паразита». Следующим шагом должно быть создание такого искусственного блокирования и проверка этого приёма в лаборатории.
Техника кристаллографии
Молекулярная структура фермента была разгадана вплоть до атомного уровня, при яркой рентгеновской вспышке на крошечные кристаллы катехина B, размер которых составлял в среднем около микрона (одна тысячная миллиметра) в диаметре и около десяти микрон в длину. Кристаллы рассеивают рентген характерным способом, который зависит от их внутренней структуры. С помощью полученной дифракционной схемы структуру кристаллов можно вычислить, таким образом обнажая структуру фермента.
Сегодня, кристаллография является стандартной техникой анализа биомолекул. Обычно ученые используют модифицированные бактерии, чтобы создавать биомолекулы в большом количестве и попытаться кристаллизовать их впоследствии в самые большие высококачественные кристаллы. В естественных условиях кристаллизация впервые проводилась в лабораториях Бетцеля, и профессор университета Тюбингена Майкл Дусценко, который также является членом исследовательской группы, использует живые клетки, чтобы получить кристаллы. В отличие от стандартных экспериментов по кристаллизации, кристаллизация на живом организме привела к получению подходящих кристаллов катепсина B в естественно ингибированной форме.
Но в естественных условиях кристаллы так малы, что их можно распознать только с помощью такого лазера как LCLS, достаточно мощного, чтобы сделать детализированные дифракционное изображение. LCLS принадлежит к новому классу научных источников света, названных лазерами на свободных электронах, которые основаны на мощных ускорителях частиц.
Возможности рентгеновского лазера LCLS
В этих «машинах» (LCLS) электроны ускоряются до высоких скоростей или энергий, и их движение напоминает слалом. В каждом изгибе каждый электрон испускает крошечную вспышку, и в целом эти вспышки составляют невероятно сильный импульс рентгена с лазерными свойствами, который позволяет выявлять такие структуры как естественно ингибированная молекула катепсина B.
Чтобы разгадать структуру катепсина B, исследователи должны были записать сотни тысяч дифракционных изображений, которые были впоследствии скрупулёзно собраны воедино. Поскольку каждый кристалл разрушен под мощным излучением рентгена, группа учёных обеспечила поток кристаллов, помещенный в водный раствор, через тонкое сопло на пути лазерного потока.
Лазер рентгена использовал 120 импульсов в секунду, где в среднем только каждый одиннадцатый импульс фактически поражал кристалл. В общей сложности было записано 293195 дифракционных изображений. Они могли быть обработаны только с помощью тщательных параллельных вычислений, чтобы сначала составить трехмерную карту всех дифрагированных сигналов, с помощью которых было вычислено изображение его структуры.
Окончательный результат показал структуру фермента с разрешением 2,1 ангстрем (Å) (1 Å равен одной десятой нанометра или одной десятимиллионной миллиметра). «Интересно, что это открытие сделано в столетие публикации известного уравнения дифракции рентгеновских лучей Уильяма Брэгга, в 1912 г», - отметил Чепмен.
