"Грануловирус нападает на некоторых насекомых и убивает их. Из-за этого он сначала остается внутри разлагающегося хозяина, поэтому ему приходится защищать себя, возможно, годами, от неблагоприятных условий окружающей среды, таких как жара, ультрафиолетовое излучение и засуха, пока он снова не попадет в организм. «Для этого вирус оборачивается коконом из кристаллов протеина, которые снова растворяются, только когда попадают в кишечник насекомого», — объясняет Корнелиус Гати из DESY, главный автор статьи. Эти вирусы представляют особый интерес для Питера Меткалфа из Университета Окленда в Новой Зеландии и Йоханнеса Йеле из Института Юлиуса Куна в Дармштадте, которые объединились с DESY для этого исследования.
Исследователи изучили кокон Cydia pomonella granulovirus (CpGV), который поражает гусениц плодожорки (Cydia pomonella) и используется в сельском хозяйстве в качестве биологического пестицида. Вирус безвреден для человека.Ученых интересует пространственная структура белков и других биомолекул, потому что это проливает свет на точный способ их работы. Это привело к появлению специальной науки, известной как структурная биология. «За последние 50 лет ученые определили структуру более 100 000 белков», — говорит Чепмен, который также является профессором физики в Гамбургском университете. «Безусловно, наиболее важным инструментом для этого является рентгеновская кристаллография».
В этом методе кристалл исследуемого белка выращивают и облучают ярким рентгеновским излучением. Это создает характерную дифракционную картину, по которой можно рассчитать пространственную структуру кристалла и его строительных блоков.«Однако одной из серьезных проблем этой процедуры является выращивание кристаллов», — добавляет Чепмен. Многие белки с трудом выстраиваются в кристаллы, потому что это не их естественное состояние.
Чем меньше кристаллы, которые можно использовать для анализа, тем легче их вырастить, но тем сложнее их измерить. «Мы надеемся, что в будущем мы сможем полностью отказаться от выращивания кристаллов и изучать отдельные молекулы непосредственно с помощью рентгеновских лучей, — говорит Чепмен, — поэтому мы хотели бы понять пределы».«Эти вирусные частицы предоставили нам мельчайшие кристаллы протеина, которые когда-либо использовались для анализа структуры рентгеновских лучей», — объясняет Гати. Тело окклюзии (вирусный «кокон») имеет объем около 0,01 кубических микрометров, что примерно в сто раз меньше, чем самые маленькие искусственно выращенные кристаллы протеина, которые до сих пор анализировались с помощью кристаллографических методов.Чтобы преодолеть этот предел в размере кристалла, требовался чрезвычайно яркий рентгеновский луч, который был получен с помощью так называемого лазера на свободных электронах (ЛСЭ), в котором пучок высокоскоростных электронов проходит через магнитный ондулятор, вызывая они испускают рентгеновские импульсы, подобные лазеру.
Ученые использовали лазер на свободных электронах LCLS в Национальной ускорительной лаборатории SLAC в США и использовали оптику для фокусировки каждого рентгеновского импульса до размера, подобного одной из вирусных частиц. «Направление всей мощи ЛСЭ на один крошечный вирус подвергло его воздействию огромных уровней радиации», — сообщает Гати, который сейчас работает в SLAC. Доза составила 1,3 миллиарда грей; для сравнения: смертельная доза для человека составляет около 50 Грей.Доза ЛСЭ была определенно смертельной и для вирусов — каждый был полностью испарен за один импульс рентгеновского излучения.
Но импульс фемтосекундной длительности передает на детектор информацию о первозданной структуре, и уничтожение вируса происходит только после прохождения импульса. Анализ записанной дифракции показал, что даже крошечные кристаллы белка, подвергнутые бомбардировке чрезвычайно высокими дозами радиации, все же могут раскрыть свою структуру в атомном масштабе.
«Моделирование, основанное на наших измерениях, предполагает, что наш метод, вероятно, может быть использован для определения структуры даже более мелких кристаллов, состоящих всего из сотен или тысяч молекул», — сообщает Чепмен, который также является членом Гамбургского центра сверхбыстрой визуализации (CUI). . «Это делает нас огромным шагом вперед к нашей цели анализа отдельных молекул».