Кіріспе

Белоктардың ядролық магниттік-резонанстық спектроскопиясы (көбінесе protein NMR деп қысқартылады) – бұл құрылымдық биология саласы, онда NMR спектроскопиясы белоктардың, нуклеин қышқылдарының және олардың кешендерінің құрылымы мен динамикасы туралы ақпарат алу үшін қолданылады. Бұл салаға Ричард Р. Эрнст пен Курт Вютрих (ETH), Ад Бакс, Мариус Клоре, Анжела Гроненборн (NIH) және Герхард Вагнер (Гарвард университеті) және тағы басқалар үлес қосты. NMR спектроскопиясы арқылы құрылымды анықтау әдетте бірнеше кезеңнен тұрады, әрқайсысы арнайы техникалар жиынтығын қолданады. Үлгі дайындалады, өлшемдер жасалады, интерпретациялық тәсілдер қолданылады, құрылым есептеліп, тексеріледі. NMR атомның орталық ядросының кванттық-механикалық қасиеттерін пайдаланады. Бұл қасиеттер жергілікті молекулалық ортаға байланысты, ал олардың өлшеулері атомдардың химиялық байланысын, кеңістіктегі жақын орналасуын және бір-біріне қатысты қозғалыс жылдамдығын көрсететін картаны ұсынады. Бұл қасиеттер негізінен магниттік-резонанстық томографияда (МРТ) қолданылатын қасиеттермен бірдей, бірақ молекулалық қолданыстар миллиметрлік (радиологтарға қызығушылық тудыратын) масштабтан нанометрлікке (байланысқан атомдар әдетте нанометрдің бір бөлігімен ғана алыс) дейін масштабтың өзгеруіне сәйкес келетін сәл өзгеше тәсілді қолданады – бұл миллион еселік айырмашылықты құрайды. Бұл масштабтың өзгеруі ұзақ мерзімді өлшемдер үшін жоғары сезімталдық пен тұрақтылықты талап етеді. МРТ-дан айырмашылығы, құрылымдық биология зерттеулері тікелей бейне жасамайды, үш өлшемді молекулалық модельдерді құру үшін күрделі компьютерлік есептеулерге сенеді. Қазіргі уақытта көптеген үлгілер судағы ерітіндіде зерттеледі, бірақ қатты үлгілермен жұмыс істеу әдістері де әзірленуде. Деректерді жинау үшін үлгі қуатты магнитке орналастырылады, үлгі арқылы радиожиілік сигналдар жіберіледі және осы сигналдардың сіңірілуі өлшенеді. Белоктің атомдарының ортасына байланысты, жеке атомдардың ядролары радиосигналдардың әртүрлі жиіліктерін сіңіреді. Сонымен қатар, әртүрлі ядролардың сіңіру сигналдары жақын орналасқан ядролардың әсерінен өзгеруі мүмкін. Бұл ақпарат ядролар арасындағы қашықтықты анықтау үшін қолданылады. Бұл қашықтықтар белгінің жалпы құрылымын анықтау үшін пайдаланылады. Типик зерттеу екі белгінің бір-бірімен қалай өзара әрекеттесетінін, мүмкін, өзара әрекеттесудің қалыпты биологиясын зерттеу үшін ("химиялық биология") немесе фармацевтикалық қолдануға болатын шағын молекулаларды әзірлеу үшін қарастыруы мүмкін (дәрмектерді әзірлеу). Көбінесе өзара әрекеттесетін белгілер жұбы адам генетикасының зерттеулері арқылы анықталады, бұл өзара әрекеттесудің зиянды мутациялармен бұзылуы мүмкін екенін көрсетеді, немесе олар жеміс шыбығы, ашытқы, C. elegans құрты немесе егеуқұйрық сияқты "модельдік" организмнің қалыпты биологиясында маңызды рөл атқарады. Үлгіні дайындау үшін молекулалық биология әдістері бактериялық ферментация арқылы мөлшерді жасау үшін қолданылады. Бұл молекуланың изотоптық құрамын өзгертуге мүмкіндік береді, себебі изотоптар әртүрлі түрде әрекет етеді және бір-біріне қатысты NMR сигналдарын анықтауға көмектеседі.

Үлгілерді дайындау

Белоктың ядролық магниттік резонансы жоғары тазартылған белоктың сулы үлгілерінде жүргізіледі. Әдетте, үлгі 300-600 микролитр көлемде болады, ал белок концентрациясы 0,1–3 миллимоляр аралығында құрайды. Белок көзі табиғи немесе генетикалық инженерия арқылы рекомбинантты ДНҚ технологияларын қолдана отырып, өндіріс жүйесінде алынуы мүмкін. Рекомбинантты түрде өндірілген белоктарды жеткілікті мөлшерде өндіру әдетте оңай, сондай-ақ бұл әдіс изотоптық белгілеуге мүмкіндік береді. Тазартылған белок әдетте буферлік ерітіндіде ерітіліп, қажетті еріткіш ортаға келтіріледі. ЯМР үлгісі жұқа қабырғалы шыны түтікшеде дайындалады.

Деректерді жинау

Протеиннің ЯМР белок туралы ақпарат алу үшін көпөлшемді ядролық магниттік резонанс эксперименттерін қолданады. Идеалды жағдайда, молекуладағы әр түрлі ядролар әр түрлі электрондық ортаны сезінеді, сондықтан оларды тануға болатын ерекше химиялық ығысуы болады. Дегенмен, ақуыздар сияқты ірі молекулаларда резонанстардың саны әдетте бірнеше мыңға жетеді және бірөлшемді спектрде кездейсоқ үстіне жату мүмкіндігі бар. Сондықтан, әртүрлі ядролардың жиіліктерін байланыстыратын көпөлшемді эксперименттер жүргізіледі. Қосымша өлшемдер үстіне жату ықтималдығын азайтады және ақпараттың көлемін арттырады, себебі олар молекуланың белгілі бір бөлігіндегі ядролардан келетін сигналдарды байланыстырады. Магниттеу электромагниттік (радиожиілік) энергия импульстарын пайдалану арқылы үлгіге жіберіледі, ал ядролар арасында – уақыт кешігулері арқылы; бұл процесс импульстік тізбектер деп аталады. Импульстік тізбектер эксперимент жүргізушіге ядролар арасындағы нақты байланыстарды зерттеуге және таңдауға мүмкіндік береді. Ақуыздарға қолданылатын ядролық магниттік резонанс эксперименттерінің жиынтығы екі негізгі санатқа бөлінеді: бірі – магниттеудің химиялық байланыстар арқылы, екіншісі – байланыс құрылымына қарамастан, кеңістік арқылы жүзеге асуы. Бірінші санат әртүрлі химиялық ығысуларды нақты ядроға жатқызу үшін қолданылады, ал екіншісі – негізінен құрылымды есептеуде және белгіленбеген ақуызбен жұмыс істегенде қолданылатын қашықтық шектеулерін жасау үшін қолданылады. Үлгінің концентрациясына, спектрометрдің магниттік өрісіне және эксперимент түріне байланысты, ақуыз үлгісіндегі бір көпөлшемді ядролық магниттік резонанс эксперименті сигналдың шу деңгейіне жеткілікті арақатынасын алу үшін сағаттаған немесе бірнеше күнге созылуы мүмкін, сондай-ақ эксперименттің әртүрлі өлшемдері арқылы магниттеудің жеткілікті дамуын қамтамасыз ету үшін. Басқа жағдайлар тең болса, жоғары өлшемді эксперименттер төмен өлшемді эксперименттерге қарағанда көбірек уақыт алады. Әдетте, изотоппен белгіленген ақуызбен алғашқы өлшенетін эксперимент – 2D гетероядролық бір кванттық корреляция (HSQC) спектрі, мұнда "гетероядролық" термині 1H емес ядроларды білдіреді. Теориялық тұрғыдан алғанда, гетероядролық бір кванттық корреляция гетероядроға байланысқан әрбір H үшін бір шыңға ие. Осылайша, 15N HSQC-де, 15N белгіленген ақуызда, омыртқаның цикліктік табиғатына байланысты амидтік сутегі жоқ пролиннен басқа, омыртқадағы әрбір азот атомы үшін бір сигнал күтіледі. Қалдықтардың әрқайсысы өздерінің бүйір тізбектерінде азот-сутек байланысы бар қалдықтармен (W, N, Q, R, H, K) қосымша 15N HSQC сигналдарын қосады. 15N HSQC көбінесе ақуыздың "саусақ іздері" деп аталады, өйткені әрбір ақуыз сигналдық позициялардың бірегей үлгісіне ие. 15N HSQC-ті талдау зерттеушілерге күтілетін шыңдардың саны бар-жоғын бағалауға және осылайша бірнеше конформацияларға немесе үлгінің әртүрлілігіне байланысты туындауы мүмкін мәселелерді анықтауға мүмкіндік береді. Салыстырмалы түрде жылдам жүргізілетін гетероядролық бір кванттық корреляция эксперименті одан әрі ұзақ, қымбат және күрделі эксперименттер жүргізудің ықтималдығын анықтауға көмектеседі. Гетероядролық бір кванттық корреляциядан ғана нақты атомдарға шыңдарды жатқызу мүмкін емес.

Резонанстық тапсырма

Ядролық магниттік резонанс деректерін талдау үшін ақуызға резонанс тағайындау, яғни әр химиялық ығысудың қай атомға сәйкес келетінін анықтау маңызды. Бұл әдетте бірнеше түрлі ЯМР эксперименттерінен алынған ақпаратты пайдаланып, тізбектеп іздеу арқылы жүзеге асырылады. Нақты процедура ақуыздың изотоптық белгіленгеніне немесе белгіленбегеніне байланысты, себебі көптеген тағайындау эксперименттері көміртек-13 және азот-15-ке тәуелді.

Гомоядролық ядролық магниттік резонанс

Белгіленбеген белокпен әдеттегі процедура – корреляциялық спектроскопия (COSY) арқылы екі өлшемді гомоядролық ядролық магниттік резонанс эксперименттерінің жиынтығын жазу. Оның бірнеше түріне кәдімгі корреляциялық спектроскопия, толық корреляциялық спектроскопия (TOCSY) және ядролық Оверхаузер эффекті спектроскопиясы (NOESY) кіреді. Екі өлшемді ядролық магниттік резонанс эксперименті екі өлшемді спектрді тудырады. Екі осьтің бірліктері – химиялық ығысулар. COSY және TOCSY магниттелуді көршілес протондар арасындағы химиялық байланыстар арқылы жүзеге асырады. Кәдімгі корреляциялық спектроскопиялық эксперимент магниттелуді тек іргелес атомдардағы протондар арасында ғана жеткізе алады, ал толық корреляциялық спектроскопиялық экспериментте протондар магниттелуді релеліктей алады, сондықтан ол іргелес атомдармен байланысқан барлық протондар арасында беріледі. Осылайша, кәдімгі корреляциялық спектроскопияда альфа-протон бета-протонға магниттелуді береді, бета-протон – альфа және гамма-протонға (егер олар болса), содан кейін гамма-протон – бета және дельта-протонға, және бұл процесс жалғасады. Толық корреляциялық спектроскопияда альфа және басқа барлық протондар, егер олар үздіксіз протондар тізбегімен байланысқан болса, бета, гамма, дельта, эпсилонға магниттелуді жеткізе алады. Протонның үздіксіз тізбегі – жеке аминқышқылдарының тізбегі. Осылайша, бұл екі эксперимент спиндік жүйелерді құру үшін қолданылады, яғни пептид протонының химиялық ығысуының резонанстарының тізімін, альфа-протонды және әрбір қалдықтың тізбегіндегі барлық протондарды құру үшін. Спин жүйесінде қай химиялық ығысулар қай ядроларға сәйкес келетіні кәдімгі корреляциялық спектроскопия байланыстарымен және әр түрлі протондардың ерекше химиялық ығысуларының болуымен анықталады. Әр түрлі спиндік жүйелерді реттілікпен байланыстыру үшін ядролық Оверхаузер эффекті спектроскопиясының экспериментін қолдану қажет. Бұл эксперимент магниттелуді кеңістік арқылы жеткізетіндіктен, кеңістікте жақын орналасқан барлық протондардың кросспиктерін көрсетеді, олардың спиндік жүйеде болу-болмауына қарамастан. Көрші қалдықтар кеңістікте жақын орналасқан, сондықтан басқа спиндік жүйелермен NOESY-дегі шыңдар арқылы тағайындамалар жасауға болады. Гомоядролық ядролық магниттік резонансты пайдаланудың маңызды мәселесі – шыңдардың үстіне түсуі. Бұл әр түрлі протондардың бірдей немесе өте ұқсас химиялық ығысулары болғанда болады. Бұл проблема белоктың мөлшері артқан сайын үдеп отырады, сондықтан гомоядролық ядролық магниттік резонанс әдетте кішкентай белоктармен немесе пептидтермен шектеледі.

Азот-15 ядролық магниттік резонансы

15N-мен ең көп қолданылатын тәжірибе – 1H 15N HSQC. Бұл тәжірибе өте сезімтал болғандықтан, салыстырмалы түрде жылдам орындалуы мүмкін. Ол көбінесе белоктың NMR арқылы құрылымын анықтауға жарамдылығын тексеру үшін, сондай-ақ үлгінің жағдайларын оңтайландыру үшін қолданылады. Бұл белоктың ерітіндідегі құрылымын анықтау үшін қолданылатын стандартты тәжірибелердің бірі. HSQC тәжірибесін 15N TOCSY HSQC және 15N NOESY HSQC сияқты үш және төрт өлшемді NMR тәжірибелеріне кеңейтуге болады.

Көміртек-13 және азот-15 ядролық магниттік резонансы

Көміртек 13 және азот 15 изотоптарымен белгіленген кезде, пептидтік байланыс арқылы магниттелуді жүзеге асыратын және осылайша байланыстар арқылы әртүрлі спиндік жүйелерді қосатын үш резонанстық эксперименттерді жазу мүмкін болады. Бұл әдетте келесі эксперименттерді пайдаланып жасалады: |HNCO, |HN(CA)CO}, |HNCA, |HN(CO)CA, |HNCACB және |CBCA(CO)NH. Барлық алты эксперимент 1H 15N жазықтығынан тұрады (HSQC спектріне ұқсас), көміртек өлшемімен толықтырылған. |HN(CA)CO экспериментінде әрбір HN жазықтығында осы қалдықтың карбонил көміртегінен және тізбектегі алдыңғы қалдықтың шыңдары болады. |HNCO тек алдыңғы қалдықтың карбонил көміртегінің химиялық ығысуын қамтиды, бірақ |HN(CA)CO-дан гөрі әлдеқайда сезімтал. Бұл эксперименттер әрбір 1H 15N шыңын алдыңғы карбонил көміртегімен байланыстыруға мүмкіндік береді, содан кейін әр спиндік жүйенің өзінің және алдыңғы көміртектерінің ығысуларын сәйкес келтіру арқылы реттік тағайындау жүзеге асырылуы мүмкін. |HNCA және |HN(CO)CA да ұқсас жұмыс істейді, бірақ карбонилдердің орнына альфа көміртектерін (Cα) пайдаланады, ал |HNCACB және |CBCA(CO)NH альфа көміртек (Cα) пен бета көміртегін (Cβ) қамтиды. Көбінесе көміртек өлшеміндегі қабаттасуды шешу үшін бірнеше эксперименттер қажет болады. Бұл процедура әдетте NOESY негізделген әдіске қарағанда аз күмәнді, себебі ол байланыстар арқылы магниттелуді жүзеге асыруға негізделген. NOESY негізделген әдістерде кеңістікте жақын орналасқан, бірақ реттік тізбекке жатпайтын атомдарға сәйкес келетін қосымша шыңдар пайда болады, бұл тағайындау процесін қиындатады. Бастапқы реттік резонанстық тағайындаудан кейін, әдетте, HCCH TOCSY сияқты эксперименттерді қолдана отырып, Cα және Cβ-дан қалған бүкіл тізбекке тағайындауды кеңейтуге болады, бұл негізінен қосымша көміртек өлшемінде шешілген TOCSY эксперименті.

Тыйымдылықты құру

Құрылымдық есептеулер жасау үшін, эксперименттік жолмен анықталған бірнеше шектеулерді құру қажет. Олар түрлі категорияларға бөлінеді; ең көп қолданылатыны – қашықтық шектеулері мен бұрыш шектеулері.

Қашықтықты ұстайтын құрылғылар

NOESY экспериментіндегі крос-пик екі қарастырылып отырған ядроның арасындағы кеңістіктік жақындықты көрсетеді. Осылайша, әрбір пик ядролар арасындағы максималды қашықтыққа айналдырылуы мүмкін, әдетте 1,8 мен 6 ангстрем аралығында. NOESY пигінің қарқындылығы қашықтықтың минус 6-шы дәрежесіне пропорционал, сондықтан қашықтық пик қарқындылығы бойынша анықталады. Қарқындылық-қашықтық байланысы нақты емес, сондықтан әдетте қашықтық диапазоны қолданылады. Химиялық ығысуларға сүйене отырып, NOESY пиктерін дұрыс ядроларға тағайындау өте маңызды. Егер бұл жұмыс қолмен орындалса, ол әдетте өте күшті еңбек талап етеді, себебі ақуыздарда әдетте мыңдаған NOESY пиктері болады. Интегративті ЯМР платформасындағы PASD/XPLOR NIH, UNIO, CYANA, ARIA/CNS және AUDANA/PONDEROSA C/S сияқты кейбір компьютерлік бағдарламалар бұл жұмысты пик позициялары мен пик көлемдерінің қолмен алдын ала өңделген тізімдері бойынша автоматты түрде орындайды, бұл құрылымды есептеумен байланыстырылған. Қайта-қайта жаңартпалы пик тізімдерінің қажеттілігінсіз NOESY шикі деректеріне тікелей қол жеткізуді PASD ғана қазірге дейін қамтамасыз етеді.

Сутегін деутериймен алмастыру

Ядролық-магниттік резонанс спектроскопиясы ядроға тән. Сондықтан ол сутегі мен дейтерийді ажырата алады. Ақуыздың амид протондары еріткішпен оңай алмасады, ал егер еріткіште басқа изотоп, әдетте дейтерий болса, реакцияны ЯМР спектроскопиясымен бақылауға болады. Белгілі бір амидтің алмасу жылдамдығы оның еріткішпен қолжетімділігін көрсетеді. Осылайша, амид алмасу жылдамдықтары ақуыздың қай бөліктері жасырылғанын, сутектік байланыста екенін және т.б. туралы ақпарат бере алады. Көп қолданылатын тәсіл – еркін күйдегі және кешен арасындағы алмасуды салыстыру. Кешенде қорғалған амидтер өзара әрекеттесу бетінде орналасқан деп есептеледі.

Құрылымның есептеуі

Эксперименттік түрде анықталған шектеулер құрылымды есептеу процесінде деректер ретінде қолданылуы мүмкін. Зерттеушілер XPLOR NIH сияқты компьютерлік бағдарламаларды пайдаланып, ақуыздың жалпы қасиеттерімен қатар, мысалы, байланыс ұзындығы мен бұрыштары сияқты, мүмкіндігінше көп шектеулерді қанағаттандыруға тырысады. Алгоритмдер шектеулерді және ақуыздың жалпы қасиеттерін энергия шарттарына түрлендіріп, содан кейін осы энергияны азайтуға ұмтылады. Нәтижесінде, егер деректер белгілі бір түріне жететіндей болса, құрылымдар жиынтығы бірігеді (конвергенцияға келеді).

Құрылысты растау

Алынған құрылымдар жиынтығы – «эксперименттік модель», яғни белгілі бір тәжірибелік деректердің бейнесі. Бұл фактіні мойындау маңызды, себебі модель сол тәжірибелік деректерді жақсы немесе жаман көрсете алады. Жалпы, модельдің сапасы оны жасау үшін қолданылған тәжірибелік деректердің мөлшері мен сапасына, сондай-ақ оларды дұрыс түсіндіруге байланысты болады. Әрбір эксперименттің қателіктері болатынын есте ұстау керек. Кездейсоқ қателер нәтижедегі құрылымдардың қайталануы мен дәлдігіне әсер етеді. Егер қателер жүйелі болса, модельдің дұрыстығы төмендейді. Дәлдік – өлшеудің қайталану деңгейін көрсетеді және көбінесе бірдей жағдайларда өлшенген деректер жиынтығының дисперсиясы ретінде беріледі. Ал дұрыстық – өлшеудің «нағыз» мәнге қаншалықты жақын екенін көрсетеді. Идеалды жағдайда, ақуыздың моделі оның нақты молекуласына қаншалықты жақын болса, соншалықты дұрыс болады, ал атомдарының орналасуына қатысты белгісіздік аз болғандықтан, дәлдігі де жоғары болады. Бірақ іс жүзінде ақуыздар модельдерін салыстыру үшін «стандартты молекула» жоқ, сондықтан модельдің дұрыстығы модель мен тәжірибелік деректер жиынтығының арасындағы сәйкес келу деңгейімен бағаланады. Тарихи тұрғыдан алғанда, ЯМР (NMR) әдісімен анықталған құрылымдар, әдетте, рентгендік дифракциямен анықталғандардан нашар сапалы болды. Бұл, ішінара, ЯМР арқылы алынған деректердегі ақпараттың аздығына байланысты. Осы себепті, ЯМР жиынтықтарының сапасын бағау үшін, бірдей ақуыз үшін рентгендік дифракциямен анықталған бірегей конформациямен салыстыру кең таралған практикаға айналды. Дегенмен, рентгендік дифракциялық құрылым болмауы мүмкін, ал ерітіндідегі ақуыздар икемді молекулалар болғандықтан, бір құрылыммен көрсетілген ақуыз ақуыздың атомдық орналасуының ішкі өзгергіштігін төмен бағалауы мүмкін. ЯМР немесе рентгендік кристаллографиямен анықталған конформациялар жиынтығы, бір ғана конформациядан гөрі ақуыздың тәжірибелік деректерін жақсы көрсете алады. Модельдің пайдалылығы, кем дегенде, оның дұрыстығы мен дәлдігінің деңгейімен анықталады. Дұрыс, бірақ салыстырмалы түрде нашар дәлдікке ие модель, ақуыздар жиынтығының құрылымдары арасындағы эволюциялық қатынастарды зерттеу үшін пайдалы болуы мүмкін, ал рационалды дәрі дизайны үшін дәл және дұрыс модельдер қажет. Дәлдігіне қарамастан, дұрыс емес модель өте пайдалы болмайды. Ақуыз құрылымдары – қателіктерге ұшырауы мүмкін тәжірибелік модельдер болғандықтан, осы қателіктерді анықтау өте маңызды. Қателіктерді анықтауға бағытталған процеске валидация (тексеру) дейді. Құрылымдарды тексерудің бірнеше әдістері бар, кейбіреулері PROCHECK және WHAT IF сияқты статистикалық, ал басқалары CheShift сияқты физикалық принциптерге негізделген, немесе PSVS сияқты статистикалық және физикалық принциптердің үйлесімі.

Динамикасы

Құрылымдардан басқа, ядролық магниттік резонанс ақуыздың әртүрлі бөліктерінің динамикасы туралы ақпарат бере алады. Бұл әдетте T1 және T2 сияқты релаксациялық уақыттарды өлшеуді, реттік параметрлерді, корреляциялық уақыттарды және химиялық алмасу жылдамдықтарын анықтауды қамтиды. ЯМР релаксациясы – молекула ішіндегі жергілікті құбылалы магнит өрістерінің салдары болып табылады. Жергілікті құбылалы магнит өрістері молекулалық қозғалыстар арқылы туындайды. Осылайша, релаксациялық уақыттарды өлшеу молекуланың атомдық деңгейдегі қозғалысы туралы ақпаратты ұсынуы мүмкін. Ақуыз динамикасын зерттеуде азот-15 изотопы зерттеу үшін артықшылықты ядро болып табылады, себебі оның релаксациялық уақыттары молекулалық қозғалыстармен салыстырмалы түрде қарапайым байланысты. Алайда, бұл ақуыздың изотоптық белгіленуін қажет етеді. T1 және T2 релаксациялық уақыттарын әртүрлі HSQC негізделген тәжірибелер арқылы өлшеуге болады. Байқалатын қозғалыстар шамамен 10 пикосекундтан 10 наносекундқа дейінгі уақыт аралығында жүреді. Сонымен қатар, 10 микросекундтан 100 миллисекундқа дейінгі уақыт аралығында өтетін баяу қозғалыстарды да зерттеуге болады. Дегенмен, азот атомдары негізінен ақуыздың тірекшесінде орналасқандықтан, нәтижелер негізінен тірекше қозғалысын көрсетеді, ол ақуыз молекуласының ең тұрақты бөлігі болып табылады. Сондықтан, азот-15 релаксациясынан алынған нәтижелер толық ақуызды сипаттамауы мүмкін. Сондықтан, көміртек-13 және дейтерийдің релаксациясын өлшеуді пайдаланатын әдістер жақында жасалды, бұл ақуыздағы аминқышқылдарының тізбектерінің қозғалысын жүйелі түрде зерттеуге мүмкіндік береді. Пептидтер мен толық ұзындықтағы ақуыздардың динамикасы мен икемділігін зерттеуде ерекше қиындықтар тудыратын жағдай – тәртіпсіз құрылымдар. Қазіргі таңдағы қабылданған түсінік бойынша, ақуыздар бұзылу немесе құрылымның болмауы деп аталатын икемді мінез-құлықты көрсете алады; алайда, ақуыздың толыққанды функционалдық күйін көрсететін статикалық суреттің орнына құрылымдар жиынтығын сипаттау мүмкін. Бұл сала көптеген жетістіктерге қол жеткізді, әсіресе жаңа импульстік тізбектер, технологиялық жақсартулар және осы саладағы зерттеушілердің қатаң даярлануы.

Үлкен ақуыздарды NMR спектроскопиясы

Дәстүрлі түрде ядролық магниттік резонанс спектроскопиясы салыстырмалы түрде кішкентай ақуыздармен немесе ақуыз домендерімен шектелген. Бұл, ішінара, үлкен ақуыздардағы қабаттасқан шыңдарды ажырату қиындығынан туындайды, бірақ изотоптық белгілеу және көп өлшемді эксперименттерді қолдану арқылы бұл мәселе шешілді. Тағы бір маңызды проблема – үлкен ақуыздарда магниттелу жылдам демалады, яғни сигналды анықтау үшін уақыт жеткіліксіз болады. Бұл өз кезегінде шыңдардың кеңейіп, әлсіреуіне және соңында жоғалуына себеп болады. Релаксацияны басу үшін екі техника енгізілді: көлденең релаксацияны оңтайландырылған спектроскопия (TROSY) және ақуыздарды дейтерийлеу. Осы техникаларды пайдалану арқасында 900 кДа шаперон GroES GroEL кешеніндегі ақуыздарды зерттеуге мүмкіндік туды.

Процестерді автоматтандыру

Ядролық магниттік резонанс (ЯМР) арқылы құрылымды анықтау дәстүрлі түрде көп уақыт алатын процесс болып табылады, бұл үшін жоғары білікті маманның деректерді интерактивті талдауы қажет. Құрылымды анықтаудың өнімділігін арттыру және белок ЯМР-ін сарапшы емес мамандарға қолжетімді ету үшін процесті автоматтандыруға үлкен қызығушылық танытылуда (құрылымдық геномикаға қараңыз). Ең көп уақытты қажет ететін екі процесс – реттілікке қатысты резонанстық тағайындау (негізгі тізбек және бүйір тізбекті тағайындау) және NOE тағайындау міндеттері. ЯМР арқылы белок құрылымын анықтау процесінің жекелеген бөліктерін автоматтандырылған түрде мақсат ететін бірнеше компьютерлік бағдарламалар жарияланды. NOE-ні автоматтандырылған түрде тағайындау бойынша ең көп прогресске қол жеткізілді. Қазірге дейін FLYA және UNIO тәсілдері ғана адамның араласуынсыз, автоматтандырылған түрде белок ЯМР құрылымын анықтау процесін жүргізу үшін ұсынылды. Сондай-ақ, құрылымды есептеу протоколын жылдамдату және автоматтандыруға қолайлы ету үшін стандарттау жұмыстары жүргізілуде. Жақында, жоғарыда аталған бағдарламалардың ізбасары POKY жиынтығы шығарылды, ол қазіргі заманғы GUI құралдарымен және жасанды интеллект/машиналық оқу (AI/ML) мүмкіндіктерін ұсынады.