Участники молодежного конкурса научно-исследовательских проектов «Рентгеновские, синхротронные, нейтронные методы междисциплинарных исследований» продолжают реализовывать свои проекты в Новосибирском государственном университете. Аспирант 2 курса отделения «Химия» Факультета естественных наук НГУ, научный сотрудник Лаборатории структурной диагностики ультрадисперсных и наноструктурированных систем Физического факультета НГУ, младший научный сотрудник Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН и ЦКП «СКИФ» Светлана Шарая со своим научным руководителем доктором химических наук, доцентом кафедры химии твердого тела Факультета естественных наук НГУ Борисом Захаровым занимается расшифровкой и уточнением кристаллических структур гидрофобных аминокислот, используя передовые дифракционные рентгеновские методы исследования. Эти данные позволяют ученым получать информацию об относительном расположении атомов в кристаллических решетках при их идеальной структуре, причем не только при нормальных условиях, но и при внешних воздействиях. Работа выполнена при поддержке Минобрнауки России: программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030» в Новосибирском государственном университете и проекта Государственного задания для ЦКП «СКИФ» ИК СО РАН (FWUR-2024-0042).
— Интерес к аминокислотам был и остается высоким благодаря тому, что они являются «строительными единицами» пептидов и белков, а также играют ключевую роль во многих процессах в живых организмах. Эти свойства аминокислот обусловлены, во многом, межмолекулярными взаимодействиями, в которые способны вступать их функциональные группы. Именно они определяют, например, вторичную, третичную, четвертичную структуры белков. Одним из способов изучения межмолекулярных взаимодействий, в которые могут вступать функциональные группы аминокислот, является анализ их кристаллических структур. Это позволяет получить информацию о геометрических параметрах межмолекулярных взаимодействий, таких, например, как водородные связи, — рассказала Светлана Шарая.
Гидрофобные аминокислоты — это аминокислоты с неполярными (гидрофобными) боковыми радикалами. К неполярным (гидрофобным) относятся аминокислоты с неполярными алифатическими (аланин, валин, лейцин, изолейцин) или ароматическими (фенилаланин и триптофан) группами и одна серосодержащая аминокислота – метионин. Они плохо растворяются в воде, так как боковые радикалы этих аминокислот гидрофобны, то есть имеют большее сродство друг к другу или к другим гидрофобным молекулам, чем к воде.
Структуры многих гидрофобные аминокислот уже известны. Для некоторых из них известно даже несколько полиморфных модификаций (то есть кристаллов одного и того же соединения, обладающих разной кристаллической структурой), которые могут обладать различными физико-химическими свойствами.
— Структура глицина, простейшей аминокислоты, была определена еще в 1939 году, а самыми последними среди протеиногенных аминокислот были расшифрованы L-триптофан в 2012 и L-лизин в 2015 годах. Такая большая временная разница в расшифровке структур связана с двумя причинами. Во-первых, кристаллизация гидрофобных кислот и кислот с длинными и разветвленными боковыми радикалами сильно затруднена тем, что вырастить образец, пригодный для монокристального дифракционного анализа, которым я занимаюсь, довольно затруднительно. Со временем появляются новые возможности для кристаллизации различных веществ. Сейчас возникают методики, позволяющие кристаллизовать гидрофобные аминокислоты, в том числе и те соединения, исследованием которых я в настоящее время занимаюсь. Исследование фенилглицина мною завершено, данное соединение удалось закристаллизовать и затем расшифровать структуру. В планах аналогичная работа с такими аминокислотами, как триптофан и фенилаланин. Во-вторых, атомы большинства аминокислот слабо рассеивают рентгеновское излучение и дифракционное оборудование, использовавшееся ранее в начале данных исследований, не позволяло достоверно измерять слабые дифракционные максимумы на дальних углах, что делало практически невозможным достоверную расшифровку структуры с атомным разрешением. Это затрудняло расшифровку структур многих органических молекул. Несмотря на то, что структуры всех аминокислот уже до какой-то степени расшифрованы, повторное уточнение структур, основанное на современных дифракционных данных и кристаллах более высокого качества, позволяют выявить такие особенности их строения, которые были недоступны для исследователей ранее. Это, например, наличие фазовых переходов, особенности тепловых колебаний атомов и их расположения в кристалле, — объяснила Светлана Шарая.
Развитие экспериментальной техники сыграло не последнюю роль в преодолении данной проблемы. Современные приборы и подходы к обработке экспериментальных данных позволяют определить не только координаты атомов в ячейке и распределение электронной плотности для сферической модели атомов, как это делалось раньше, но и хорошо видеть особенности распределения электронной плотности, связанные с образованием ковалентных связей.
В последнее время развиваются методики выращивания кристаллов, наблюдается развитие приборов и методов эксперимента происходит приборная революция, и теперь исследователям для получения данных о структуре вещества достаточно небольшого образца.
Исследовательница подчеркивает, что проводимые ею исследования имеют не только самостоятельное значение, но и являются подготовительными для работы на строящемся источнике синхротронного излучения ЦКП «СКИФ». С его пуском в эксплуатацию перед исследователями появятся новые возможности.
—
В области монокристальных дифракционных исследований преимущество синхротронных источников состоит в том, что они дают очень интенсивное рентгеновское излучение, что позволяет использовать очень маленькие по размеру кристаллы аминокислоты, для установления структуры. Это важно, потому что выращивание образцов в случае с данными соединениями представляет собой довольно сложный процесс и получение крупных кристаллов, которые необходимы для эксперимента в условиях «обычной» лаборатории, затруднено. Кроме того, благодаря СКИФ станет возможным получение более качественных данных о структурах гидрофобных аминокислот, что позволит нам наблюдать их строение с большей точностью. В частности, увидеть распределение электронной плотности на ковалентных связях и межмолекулярных контактах, которые определяют структуру молекулярных кристаллов и тесно связаны с ее свойствами, — сказала Светлана Шарая.
