Нова біологічна структура може підказати лікування сонної хвороби
- Катепсин В паразита і людини
- Існуючі методи лікування трипаносомоза
- Нові підходи в лікуванні сонної хвороби
- техніка кристалографії
- Можливості рентгенівського лазера LCLS
4 Використовуючи найпотужніший рентгенівський лазер в світі, вчені виявили можливу Ахиллесову п`яту паразита сонної хвороби, який загрожує понад 60 мільйонам жителів Африки на південь від Сахари. Складний аналіз допоміг виявити схему молекули, використовуючи яку можна вибірково блокувати життєво важливий фермент паразитів виду Trypanosoma brucei. Якщо вставити таку штучно створену молекулу в потрібне місце ферменту, це могло б дезактивувати і вбити паразита.
Команда на чолі з вченим DESY (нім. Deutsches Elektronen-Synchrotron, «Німецький Електронний Синхротрон»), професором Генрі Чепменом, професором Гамбурзького університету Крістіаном Бетцелем і доктором Ларсом редек з об`єднаної молодшої дослідницької групи «Структурна інфекційна біологія з використанням нових джерел випромінювання (SIAS ) »університетів Гамбурга і Любека повідомляють про результати своєї роботи в журналі Science. «Це - перша нова біологічна структура, виявлена за допомогою лазера на вільних електронах», - сказав Чепмен.
Назад до змістуКатепсин В паразита і людини
Дослідники виявили крихітні кристали ферменту паразита катепсини B за допомогою потужного рентгенівського лазера на вільних електронах (LCLS) в Національній лабораторії каталізаторів (National Accelerator Laboratory SLAC) в Каліфорнії. «Даний фермент розглядався як перспективна мета для лікування в більш ранніх випробуваннях», - сказав редек, один з перших авторів даної наукової роботи. «Блокування цього істотного ферменту у паразитів дійсно виліковує інфекцію у мишей».
Але той же самий фермент є також частиною біохімії людини і, фактично, всіх ссавців, і його блокування може мати серйозні наслідки. Проаналізувавши їх, вчені змогли точно визначити відмінні структурні відмінності між формою даного ферменту у людини і ферменту паразита.
«Це може дозволити проектувати молекулу, яка вибірково блокує фермент паразита, не зашкодивши пацієнтові», - пояснив інший провідний вчений даної роботи Кароль Насс, доктор філософії, студент Гамбурзької школи структури і динаміки інфекцій (Hamburg School for Structure and Dynamics in Infection - SDI) , що фінансується ініціативною групою Excellence Initiative німецької федерації Гамбурга (LEXI).
Дослідники підкреслюють, що, в той час як дане відкриття вселяє надії, необхідно виконати ще чималий шлях, щоб можливість виникнення нового способу лікування стала реальною.
Назад до змістуІснуючі методи лікування трипаносомоза
Сонна хвороба або людський африканський трипаносомоз передається укусом мухи цеце. Паразити виду Trypanosoma вторгаються в центральну нервову систему, і без лікування інфекція зазвичай призводить до смертельного результату. Ця хвороба зазвичай спостерігається в 36 країнах на південь від Сахари і зачіпає головним чином бідне населення, яке живе у віддалених сільських районах. Завдяки посиленим заходам контролю, кількість зафіксованих випадків різко впало в останні роки, але мільйони все ще схильні до ризику.
Існуючі методи лікування трипаносомоза, засновані на застосуванні антіпаразітіческіе препаратів, які розроблені без застосування знань в області біохімії. Вони не завжди так ефективні і безпечні, як хотілося б, і паразити стають все більш і більш стійкими до них. Нові препарати, які вибірково вбивають паразита, не зачіпаючи власний організм пацієнта, могли б мати широке застосування.
Назад до змістуНові підходи в лікуванні сонної хвороби
На Катепсин B вчені застосували новий підхід, досліджуючи крихітні кристали ферменту, які були вирощені в клітинах комахи в природних умовах. Фермент був заморожений в його початковій формі, яка включає природний інгібітор. Оскільки катепсини B є свого роду «молекулярними ножицями», за допомогою яких він «зрізає» інші білки, він відтворюється кліткою в ингибированной формі і активується тільки при необхідності.
У ингибированной формі маленька молекула білка блокує передній край «молекулярних ножиць». «Поки білок ще знаходиться на своєму місці, можемо вдивитися нижче на непроникну частина структури катепсина B», - пояснив Бетцель. Аналіз показав суттєві відмінності між зв`язками білка в ферменті паразита і людської формі катепсина B. «Цей шлях природа надала нам, щоб ми могли бачити, на що схожий штучний інгібітор для ферменту паразита». Наступним кроком має бути створення такого штучного блокування і перевірка цього прийому в лабораторії.
Назад до змістутехніка кристалографії
Молекулярна структура ферменту була розгадана аж до атомного рівня, при яскравою рентгенівської спалаху на крихітні кристали катехина B, розмір яких складав в середньому близько мікрона (одна тисячна міліметра) в діаметрі і близько десяти мікрон в довжину. Кристали розсіюють рентген характерним способом, який залежить від їх внутрішньої структури. За допомогою отриманої дифракційної схеми структуру кристалів можна обчислити, таким чином оголюючи структуру ферменту.
Відео: Наука 2 (звук, генетика та ін.)
Сьогодні, кристалографія є стандартною технікою аналізу біомолекул. Зазвичай вчені використовують модифіковані бактерії, щоб створювати біомолекули в великій кількості і спробувати кристалізувати їх згодом у найбільші високоякісні кристали. У природних умовах кристалізація вперше проводилася в лабораторіях Бетцеля, і професор університету Тюбінгена Майкл Дусценко, який також є членом дослідницької групи, використовує живі клітини, щоб отримати кристали. На відміну від стандартних експериментів по кристалізації, кристалізація на живому організмі привела до отримання відповідних кристалів катепсина B в природно ингибированной формі.
Але в природних умовах кристали настільки малі, що їх можна розпізнати тільки за допомогою такого лазера як LCLS, досить потужного, щоб зробити деталізовані дифракційне зображення. LCLS належить до нового класу наукових джерел світла, названих лазерами на вільних електронах, які засновані на потужних прискорювачах частинок.
Назад до змістуМожливості рентгенівського лазера LCLS
У цих «машинах» (LCLS) електрони прискорюються до високих швидкостей або енергій, і їх рух нагадує слалом. У кожному вигині кожен електрон випромінює крихітну спалах, і в цілому ці спалахи складають неймовірно сильний імпульс рентгена з лазерними властивостями, який дозволяє виявляти такі структури як природно ингибированная молекула катепсина B.
Щоб розгадати структуру катепсина B, дослідники повинні були записати сотні тисяч дифракційних зображень, які були згодом скрупульозно зібрані воєдино. Оскільки кожен кристал зруйнований під потужним випромінюванням рентгена, група вчених забезпечила потік кристалів, поміщений в водний розчин, через тонке сопло на шляху лазерного потоку.
Лазер рентгена використовував 120 імпульсів в секунду, де в середньому лише кожен одинадцятий імпульс фактично вражав кристал. В цілому було записано 293 195 дифракційних зображень. Вони могли бути оброблені тільки за допомогою ретельних паралельних обчислень, щоб спочатку скласти тривимірну карту всіх діфрагірованних сигналів, за допомогою яких було обчислено зображення його структури.
Остаточний результат показав структуру ферменту з дозволом 2,1 ангстрем ( ) (1 дорівнює одній десятій нанометра або однієї десятимільйонна міліметра). «Цікаво, що це відкриття зроблено на століття публікації відомого рівняння дифракції рентгенівських променів Вільяма Брегга, в 1912 р», - зазначив Чепмен.
Назад до змісту
