Кіріспе

Биологиялық шағын бұрышқа шашырату – биологиялық материалдардың құрылымын талдауға арналған шағын бұрышқа шашырату әдісі. Шағын бұрышқа шашырату биологиялық макромолекулалардың, нанокомпозиттердің, қорытпалардың және синтетикалық полимерлердің ерітінділері сияқты әртүрлі нығыштардың құрылымын зерттеу үшін қолданылады. Шағын бұрышты рентген сәулелерін шашырату (SAXS) және шағын бұрышты нейтрон шашырату (SANS) – бұл екі толықтыратын техника, олар бірлесіп шағын бұрышты шашырату (SAS) деп аталады. SAS – рентген және нейтрон дифракциясына, кең бұрышты рентген сәулелерін шашырату, сондай-ақ статикалық жарық шашырату әдісіне ұқсас әдіс. Басқа рентгендік және нейтронды шашырату әдістерінен айырмашылығы, SAS кристалликалық және кристалликалық емес бөлшектердің мөлшері мен пішіні туралы ақпарат береді. Сулы ерітіндіде жиі кездесетін биологиялық материалдарды зерттеу үшін қолданылғанда, шашырау суреті бағдар бойынша орташаланады. SAS суреттері бірнеше градусқа дейінгі кішігірім бұрыштарда жиналады. SAS 1 мен 25 нм аралығындағы ажыратымдылық диапазонында және 150 нм-ге дейінгі ішінара реттелген жүйелердегі қайталанатын қашықтықтар туралы құрылымдық ақпаратты жеткізуге қабілетті. Өте кішкентай бұрышты шашырату (USAS) тіпті үлкен өлшемдерді де анықтай алады. Жайылымдық шағын бұрыштарды шашырату (GISAS) – бұл беттердегі биологиялық молекулалардың қабаттарын зерттеудің қуатты әдісі. Биологиялық қолданыстарда SAS бөлшектің құрылымын орташа бөлшек мөлшері және пішіні тұрғысынан анықтау үшін қолданылады. Бет пен көлем арақатынасы туралы да ақпарат алуға болады. Әдетте биологиялық макромолекулалар сұйықтықта таратылады. Әдіс дәл, көбінесе бұзбайтын және әдетте үлгіні дайындаудың минималды деңгейін қажет етеді. Алайда биологиялық молекулалар әрқашан сәулеленуден зақымдануға ұшырайды. Басқа құрылымды анықтау әдістерімен, мысалы, ерітіндідегі ЯМР немесе рентген кристаллографиясымен салыстырғанда, SAS кейбір шектеулерді жеңуге мүмкіндік береді. Мысалы, ерітіндідегі ЯМР ақуыздың мөлшерімен шектеледі, ал SAS кіші молекулалар үшін де, үлкен көпмолекулалық жиынтықтар үшін де қолданылуы мүмкін. Қатты күйдегі ЯМР әлі де 40 кДа-дан жоғары макромолекулалардың немесе амилоидтық фибрилдер сияқты кристалликалық емес үлгілердің атомдық деңгейін анықтау үшін маңызды құрал болып табылады. Рентген кристаллографиясымен құрылымды анықтау бірнеше апта немесе тіпті жылдарға созылуы мүмкін, ал SAS өлшемдері бірнеше күнге ғана алады. SAS-ты гетерогенді үлгілерді зерттеу үшін мөлшерді сұрыптау хроматографиясы сияқты басқа талдамалық техникалармен де біріктіруге болады. Алайда, SAS көмегімен молекуладағы атомдардың орналасуын өлшеу мүмкін емес.

Әдіс

Концептуалды тұрғыдан алғанда, кіші бұрышты шашырату эксперименттері қарапайым: үлгі рентген сәулелеріне немесе нейтрондарға ұшыратылады және шашыраған сәулелерді детектор тіркейді. SAS өлшемдері негізгі сәулеге ("кіші бұрыштар") өте жақын орындалғандықтан, бұл техникаға жоғары коллимацияланған немесе шоғырланған рентген сәулесі немесе нейтрон сәулесі қажет. Биологиялық кіші бұрышты рентген сәулелерін шашырату көбінесе синхротрон сәулелену көздерінде жүргізіледі, себебі биологиялық молекулалар әдетте әлсіз шашырады және өлшенген ерітінділер сұйылтылған. Биологиялық SAXS әдісі синхротрон сақтау сақиналары ұсынатын рентген фотондарының жоғары қарқындылығынан пайда алады. Рентген сәулесі немесе нейтрон шашырау қисығы (қарқындылық шашырау бұрышына қарсы) ақуыздың төмен ажыратымдылығы бар моделін құру үшін қолданылады, ол оң жақтағы суретте көрсетілген. Рентген немесе нейтрон шашырау деректерін одан әрі пайдаланып, "SAXS конвертіне" жеке домендерді (рентген немесе ЯМР құрылымдары) орналастыруға болады. Шашырату экспериментінде макромолекулалардың ерітіндісі рентген сәулелеріне (толқын ұзындығы λ әдетте 0,15 нм) немесе термиялық нейтрондарға (λ≈0,5 нм) ұшыратылады. Шашыраған қарқындылық I(s) импульс берудің функциясы ретінде тіркеледі s (s=4πsinθ/λ, мұнда 2θ – түсетін және шашыраған сәулелену арасындағы бұрыш). Ерітіндінің қарқындылығынан тек еріткіштің шашырауы алынады. Бөлшектердің кездейсоқ орналасуы мен бағыттары изотроптық қарқындылық үлестірімін тудырады, ол өзара әрекеттеспейтін монодисперс бөлшектер үшін барлық бағыттар бойынша орташаланған бір бөлшектен шашыраумен пропорционалды. Бөлшектердің жалқы шашырауы бөлшектер мен еріткіш арасындағы шашырау ұзындығы тығыздығының (рентген сәулелері үшін электрон тығыздығы және нейтрондар үшін ядролық/спин тығыздығы) квадратының айырмасына пропорционалды – осылай аталатын контраст. Контрастты H2O/D2O қоспаларын пайдалану арқылы немесе селективті деутерлеу арқылы өзгертуге болады, бұл қосымша ақпарат береді. Осылайша, SAS жалпы құрылымдық ерекшеліктер туралы ақпаратты қамтиды – пішін, төртінші және үшінші құрылымдар – бірақ атомдық құрылымды талдауға жарамсыз.

Тарих

SAXS-тің алғашқы қолданылуы 1930 жылдардың соңына, оның негізгі принциптері Гвиньенің металл қорытпаларын зерттеуінен кейін қалыптасқан. Гвинье мен Фурне SAXS туралы алғашқы монографиясында бұл әдіс бөлшектердің мөлшері мен пішіні туралы ғана емес, сонымен қатар ретсіз және жартылай реттелген жүйелердің ішкі құрылымы туралы да ақпарат беретінін көрсетті. 1960 жылдары бұл әдіс ерітіндідегі биологиялық макромолекулаларды зерттеуде маңызға ие болды, себебі ол кристаллдардың болмауында жалпы пішін мен ішкі құрылым туралы төмен ажыратымдылықтағы құрылымдық ақпаратты алуға мүмкіндік берді. SAXS және SANS эксперименттеріндегі маңызды қадам 1970 жылдары синхротрон сәулеленуі мен нейтрондық көздердің қолжетімділігі арқасында жасалды, соңғысы H2O-ны D2O-ға еріткіш алмасу және нақты дейтерилеу әдістері арқылы контраст өзгеруіне жағдай жасады. Ерітіндідегі шашырау зерттеулері уақыт пен күшті аз жұмсау арқылы кристалдалмаған биохимиялық жүйелердің құрылымы туралы пайдалы түсініктер береді. Сонымен қатар, SAXS/SANS молекулааралық өзара әрекеттесулерді, соның ішінде макромолекулалық жиынтықтағы құрастыру және ірі масштабты конформациялық өзгерістерді нақты уақыт режимінде зерттеуге мүмкіндік берді. SAS әдісінің негізгі қиындығы – объектінің үш өлшемді құрылымдық ақпаратын бір өлшемді тәжірибелік деректерден алу болып табылады. Бұрын эксперименттік деректерден макромолекулалардың жалпы параметрлері (мысалы, көлем, айналу радиусы) ғана тікелей анықталса, үш өлшемді модельдер тұрғысынан талдау қарапайым геометриялық денелермен (мысалы, эллипсоидтар, цилиндрлер және т.б.) шектелді немесе сынақ-қате әдісімен жүргізілді. Электрондық микроскопия көбінесе келісімді модельдерді құруда шектеу ретінде қолданылды. 1980 жылдары басқа құрылымдық әдістердегі прогресс биохимиктердің SAS зерттеулеріне деген қызығушылығын төмендетті, себебі олар құрылымдық қорытындыларды бірнеше жалпы параметрлерге немесе сынақ-қателік модельдерге негізделген. 1990 жылдары SAXS/SANS деректерін талдау әдістерінде жаңалықтар пайда болды, бұл макромолекулалық кешендерді сенімді ab initio модельдеуге, пішін мен домен құрылымын егжей-тегжейлі анықтауға және қатаң денені жетілдіру әдістерін қолдануға жол ашты. Бұл прогресс құралдардағы одан әрі жетістіктерге әкелді, нәтижесінде ақуыздар мен нуклеин қышқылдарының бүктелуін зерттеуде үшінші буын SR көздерінде субмиллисекундтық уақыт ажыратымдылығына қол жеткізілді.

Деректерді талдау

Сапалы SAS экспериментінде зертенеін макромолекуланың әртүрлі концентрациядағы бірнеше ерітінділері өлшенеді. Әртүрлі концентрацияларда өлшенген шашырау қисықтарын нөлдік концентрацияға экстраполяциялау арқылы шексіз сұйытуды көрсететін шашырау қисығын алуға болады. Онда концентрацияның әсері шашырау қисығына әсер етуі тиіс емес. Экстраполяцияланған шашырау қисығының деректерін талдау s = 0 айналасындағы шашырау қисығының басталуын тексеруден басталады. Егер аймақ Гвинье жуықтамасына сәйкес келсе (Гвинье заңы деп те аталады), үлгі агрегатталмаған. Содан кейін осы бөлшектің пішінін әртүрлі әдістермен анықтауға болады, олардың кейбіреулері төмендегі сілтемеде сипатталған. Белгілі бір жағдайларда шашырату деректерінен бірегей орамды алу мүмкін екені көрсетілді. Бұл әдіс тек салыстырмалы түрде қарапайым пішіндері бар және маңызды ішкі қуыстары жоқ шар тәрізді бөлшектерге ғана қолданылады. Осы шектеулерді жеңу үшін Монте-Карло іздеулерінің әртүрлі түрлерін пайдаланатын басқа тәсіл әзірленді. DALAI GA – бұл элегантты бағдарлама, ол шашырату деректерінен анықталған ең үлкен бөлшек мөлшері Dmax-қа тең диаметрі бар шарды алып, оны бөлшектермен толтырады. Әрбір бөлшек бөлшекке (индекс = 1) немесе еріткішке (индекс = 0) жатады. Пішін M ұзындығындағы екілік тізбекпен сипатталады. Кездейсоқ тізбектен бастап, генетикалық алгоритм деректерге сәйкес келетін модельді іздейді. DAMMIN бағдарламасында жүзеге асырылған іздеуде ықшамдық және байланыс шектеулері қолданылады. Егер бөлшектің симметриясы белгілі болса, SASHA және DAMMIN оны пайдалы шектеу ретінде пайдалана алады. SAXS3D «алу-беру» процедурасы және өзара байланысқан эллипсоидтарға негізделген SASMODEL бағдарламасы – іздеу кеңістігінде шектеусіз Монте-Карло тәсілдері болып табылады. Көп доменді ақуыздар мен макромолекулалық кешендердің ерітіндідегі шашырау үлгілерін жеке домендердің немесе субъединицалардың жоғары ажыратымды (ЯМР немесе рентген сәулесі) құрылымдарынан құралған модельдерді пайдаланып, олардың үшіншілік құрылымы сақталған деп есептегенде, сәйкестендіруге болады. Объектінің күрделілігіне байланысты, тәжірибелік деректерге сәйкес келетін субъединицалардың оңтайлы конфигурациясын жаһандық іздеу үшін әртүрлі тәсілдер қолданылады.

Консенсус моделі

Монте-Карло әдісіне негізделген модельдер жүздеген немесе мыңдаған параметрлерді қамтиды, сондықтан тым көп мағына іздеуден сақтану қажет. Көбінесе қолданылатын тәсіл – тәуелсіз пішін реконструкциясы нәтижесінде алынған модельдер жиынтығын өзара сәйкестендіріп, ең тұрақты және ықтимал ең сенімді ерекшеліктерін сақтайтын орташа модельді алу болып табылады (мысалы, SUPCOMB бағдарламасын қолдану арқылы).

Жоғалған буынды қосу

Бұзылған беткі аминқышқылдары ("циклдер") жиі ЯМР және кристаллографиялық зерттеулерде байқалмайды, сондықтан олар есептемелерде көрсетілмеуі мүмкін. Мұндай ретсіз элементтер шашырау қарқындылығына үлес қосады, ал олардың ықтимал орналасуларын құрылымның белгілі бөлігін бекіту және SAS үлгісіне сәйкес келетін жоғалған бөліктерді қосу арқылы анықтауға болады. Dummy Residue әдісі кеңейтілді және жоғалған циклдерді немесе домендерді қосу алгоритмдері CREDO бағдарламалық кешенінде және de novo ақуыз құрылымын болжау әдістерінде жүзеге асырылды. SAXS деректері берілген ақуыз үшін атомдық жұптар арасындағы қашықтықтардың гистограммасының Фурье түрлендіруін (жұптық үлестіру функциясы) ұсынады. Бұл ақуыздың табиғи конформациялық құрылымын анықтау әдістері үшін құрылымдық шектеу ретінде қызмет ете алады. Threading немесе құрылымды тану 3D құрылымы тізбекке қарағанда жақсы сақталады деп есептейді. Осылайша, өте әртүрлі тізбектер ұқсас құрылымға ие болуы мүмкін. Ab initio әдістері, керісінше, молекулалық биологиядағы ең үлкен мәселелердің біріне, яғни гомологты тізбектер немесе құрылымдарсыз ақуыздың "бастапқы" құрылымын болжауға тырысады. "SAXS сүзгісін" қолдану арқылы авторлар de novo ақуыз модельдерінің жиынтығын айтарлықтай тазартуға қол жеткізді. Тағы бір мысал SAXS деректерін ЯМР, рентгендік кристаллография және электрондық микроскопиямен біріктіру арқылы көп доменді ақуыздың төртіншілік құрылымын қайта құруға қалай көмектесетінін көрсетеді.

Икемді жүйелер

Жақында икемді байланыстырғыштармен ішкі тәртіпсіз немесе көп доменді ақуыздардың мәселесін шешудің әдемі әдісі ұсынылды. Ол ақуыздың әртүрлі конформацияларының бірге болуына мүмкіндік береді, олардың барлығы эксперименттік шашыраудың орташа үлгісіне үлес қосады. Алдымен, EOM (ансамбльді оңтайландыру әдісі) ақуыз конфигурациясы кеңістігін қамтитын модельдер жиынтығын жасайды. Содан кейін әр модель үшін шашырау қисығы есептеледі. Екінші қадамда бағдарлама ақуыз модельдерінің іріктемелерін таңдайды. Әрбір іріктеме үшін орташа эксперименттік шашырау есептеліп, эксперименттік SAXS деректерімен сәйкестендіріледі. Егер ең жақсы сәйкестік табылмайтын болса, модельдер әртүрлі іріктемелер арасында қайта шайқалады және жаңа орташа шашырау есебі мен эксперименттік деректерге сәйкестендіру жүргізіледі. Бұл әдіс екі ақуызға қолданылды – денатурацияланған лизозим және Брутонның протеинкиназасы. Ол қызықты және перспективалы нәтижелер берді.