Научные эксперименты. За ответами в космос - Александр Яровитчук
В структуре более крупных космических кристаллов апоформы пирофосфатазы E.coli ученые смогли выявить способы связать палочку Коха (бактерию, ответственную за заболевание туберкулезом) с ингибитором – веществом, подавляющим активность патогена. На основе ингибитора создаются так называемые таргетные, то есть нацеленные, лекарственные препараты.
В космических полетах был получен крупный кристалл эластаза, вызывающий эмфизему легких. Он расщепляет белки, из которых образованы волокна тканей. Понимание того, как этот фермент действует, дает возможность разработать терапию для блокирования процесса.
Особенно много времени при исследованиях уделяется поиску средств лечения онкологических заболеваний. Уридинфосфорилаза – фермент, помогающий создать нуклеозилы, которые потенциально могут встраиваться в РНК раковых клеток и таким образом провоцировать их гибель. Правда, для такого метода нужна точная информация о структуре исходного белка. Ее и изучают на более крупных выращенных в космосе кристаллах.
Такая же ситуация с пуриннуклеозидфосфорилзой, только этот фермент блокирует усвоение клетками питательных веществ, соответственно, ограничивает их рост и распространение.
Урокиназа – один из важных протеинов в человеке. Она активирует создание белков, которые участвуют в процессе заживления ран и работе молочной железы. Однако он связан с процессом метастазирования рака груди. На орбите проводятся попытки вырастить большой кристалл протеина, чтобы изучить его свойства и найти лекарства, уменьшающие скорость распространения болезни.
Кристаллы алкогольдегидрогеназы 1998 из термофильной археи Thermococcus sibiricus впервые были получены в невесомости. Этот белок прекрасно выдерживает высокие температуры и служит питательной средой. Так он нашел применение в технологическом производстве биоактивных добавок.
Белок цитохром известен благодаря использованию в производстве удобрений. На орбите впервые удалось получить кристаллы вещества без дефекта дупликации. При росте несколько молекул могут срастись вместе неправильным образом, что очень часто и происходит при наземном синтезе, так как гравитация прижимает атомы друг к другу, а электрические силы между ними доделывают работу по слиянию. В невесомости такое происходит значительно реже.
У фосфопантетеинаденилтрансферазы, карбоксипептидаз Т и В, тимидинфосфорилазы тоже удалось устранить дупликацию и улучшить избирательность к субстратам. С помощью этих космических белков ускоряется и облегчается производство инсулина. Производство этого гормона вообще стало излюбленной темой целого ряда космических экспериментов.
Иногда для исследований нужно не вырастить новое вещество, а отделить его. Поэтому одним из важных методов в биохимии является электрофорез. Если в жидкости есть взвешенные частички, то на границе между ними появляется так называемый двойной слой. Заряды одного знака в твердом веществе смещаются к разделу. Заряды в жидкости также разворачиваются, но противоположным знаком. Таким образом система стремится понизить свою поверхностную энергию. При электрофорезе органические соединения, растворенные в вязкой жидкости, подвергаются воздействию электрического поля. Заряды на границе раздела начинают притягиваться к одному из контактов прибора – аноду или катоду. Однако движению мешает сопротивление вязкой жидкости. Обычно для повышения эффективности процесса используются гели известной плотности. В зависимости от величины заряда растворенные вещества притягиваются с разной силой. Одни вещества могут преодолевать сопротивление геля и смещаться, а другие – нет. Так можно разделить составляющие раствора. Крупные макромолекулы под действием поля разворачиваются в определенную сторону и распрямляются, если они были скручены.
Ученые предположили, что в невесомости, без воздействия силы тяжести, то есть еще одного фактора сопротивления, процесс будет эффективнее. Космонавты Леонид Попов, Александр Серебров, Светлана Савицкая на станции «Салют‐7» провели эксперимент «Таврия», доказав верность гипотезы. В условиях невесомости увеличивается скорость разделения веществ, а степень очистки многократно повышается. В первый раз разделялась смесь альбумина, гемоглобина и клеток костного мозга крыс.
С помощью метода голографии изучалась и динамика движения частиц в растворе. Позже эти данные вылились в исследования микророботов, которые могли бы направленно двигаться под действием электрического поля в жидкостях.
Российские эксперименты по электрофорезу продолжились на станции «Мир», где ценные препараты очищались в универсальном электрофоретическом комплексе «Айнур».
На самом деле чуть раньше был проведен эксперимент на трассе Земля – Луна в рамках американского пилотируемого полета «Аполлон‐16». Однако результаты ученых не удовлетворили. Затем в США в рамках полетов шаттлов STS‐4, —6, —7 и –8 работы по исследованию установок и процесса электрофореза продолжились. В двух последних миссиях изучался капиллярный метод – на Земле его чаще используют для разделения веществ по заряду, а другие методы электрофореза могут помочь в отделении еще и по массе. Действительно, более тяжелым соединениям будет сложнее перемещаться в геле. Силы поверхностного натяжения в капилляре частично компенсируют этот эффект. Оказалось, что в невесомости компенсировать ничего не надо, а исследуемый гемоглобин размазывается по установке. Зато проявились эффекты зависимости эффективности процесса не только от содержания частиц во взвеси, но и от количества и качества геля. Силы поверхностного натяжения изменяли свойства и заряд двойного слоя на границе с твердыми частичками. Новые данные помогли улучшить технологию на Земле. Она оказалась очень важна, особенно в контексте секвенирования ДНК, помогая изучать важнейшую молекулу в организме человека, определять ее структуру, искать способы устранения аномалий, приводящих к наследственным болезням.
Один из самых необычных и интересных экспериментов, который периодически проводят космонавты с 1998 года, получил название «Плазменный кристалл». Первыми его выполнили Анатолий Соловьев и Павел Виноградов. В нем изучается поведение пылинок, которые летают в газе электрически заряженных частиц – плазме. В невесомости частички такой смеси могут взаимодействовать самым разным образом. Пылинки достаточно тяжелые, чтобы притягиваться друг к другу за счет гравитации, на них оседает заряд, так что они притягиваются или отталкиваются электромагнитными силами. Причем чем больше пылинка, тем больший заряд она может иметь. Его величина будет превышать заряд электрона в сотни и даже в сотни тысяч раз. При этом пылинки могут двигаться как газ по законам статистической термодинамики за счет поглощаемого тепла.
В земных условиях частички оседают и испытывают большое количество деформаций и искажений. В невесомости поведение пылевой плазмы может быть очень разным. Смесь даже называют сильно неидеальной системой.
Первый раз на станции «Мир» в эксперименте использовались частицы бронзы с цезиевым покрытием. В темноте они слипались, а под действием света отталкивались друг от друга. Это было интересно в контексте фундаментальных исследований колец Сатурна или протозвездных облаков. Собственно, появились теории, объясняющие, почему частицы рядом с шестой планетой Солнечной системы не слипаются, а в плотных молекулярных облаках появляются неустойчивости, приводящие к сжатию в звезды. Уже в первых экспериментах оказалось, что пылинки могут образовывать определенные структуры, получившие название «Кулоновский кристалл», и они были самыми разнообразными. Например, однажды получилась двойная спираль, похожая на ДНК. Это сразу вызвало массу публикаций о раскрытии тайны появления жизни. Это, конечно, не так.
