Биофизика

Фолдинг — физический процесс пространственной укладки биополимеров — одна из наиболее актуальных проблем современной физико-химической биологии. До сих пор никому ещё не удавалось проследить за сворачиванием одной-единственной молекулы в реальном времени. И вот, исследователи из Стэнфорда сконструировали оригинальный молекулярный манипулятор, позволивший им «растянуть» молекулу мРНК, содержащую аденин-чувствительный рибоселектор (riboswitch), и дать ей свернуться вновь. Анализ «профилей сил», возникающих при таком растягивании, позволил впервые «увидеть» последовательные стадии фолдинга молекулы и даже отследить событие связывания аденина этой мРНК.

Размер молекул, как правило, несоизмеримо меньше того предела, который можно разглядеть глазом, даже используя самый лучший оптический микроскоп — ведь длина волны видимого света существенно превосходит характерные размеры большинства молекул. Поэтому для изучения фундаментальных основ жизни приходится прибегать к упрощениям — молекулярным моделям, — чтобы биологические молекулы из области, доступной исключительно интеллекту, перенеслись в область чего-то видимого (на дисплее или листе бумаги) или даже осязаемого. Однако молекулы оказались не только желанным объектом для изучения: сама их суть стала для многих учёных и художников объектом вдохновения — и появилась молекулярная скульптура.

Спектроскопия оптического поглощения — один из старейших методов физико-химического анализа биомолекул. Однако невысокие его чувствительность и пространственное разрешение не позволяют изучать процессы с участием низких концентраций белка. Учёным из Беркли удалось «продлить век» оптическому методу за счёт сопряжения его с другим принципом, применяемым в биофизических и биохимических исследованиях, — плазмонным резонансом. Оказалось, что в спектре упругого рассеяния на наночастицах золота, введённых в клетку, могут появляться специфические «провалы», соответствующие частотам, на которых поглощают некоторые биологические молекулы (например, металлопротеины). Исследователи называют этот эффект миграцией энергии плазмонного резонанса и объясняют его непосредственным взаимодействием частиц золота с адсорбирующимися на них молекулами белка. Предложенный метод обладает невиданной ранее чувствительностью: с его помощью можно определять если и не единичные молекулы белка, то, по крайней мере, их десятки.

Для многих людей, ориентирующихся в современной науке в основном по газетным публикациям, тот факт, что «вода обладает памятью», кажется общеизвестным и давно признанным. Не странно ли, что большинство учёных относится этой тематике с осторожным скепсисом, если не сказать — подозрением? «Биомолекула» представляет перевод колонки Филиппа Болла, редактора-консультанта Nature, который выражает отношение научной общественности к проблеме «живой воды».

В 2007 году у всех, кто занимается или просто интересуется компьютерным моделированием биомолекул, есть повод отметить два скромных юбилея — 50 лет первому опубликованному компьютерному расчету молекулярной динамики и 30 лет первому расчету динамики белковой глобулы. В данном обзоре кратко представлена история развития методов молекулярной механики, а также их последующее применение в компьютерной биологии.

Суметь проследить за движением отдельно взятой молекулы внутри живой клетки — значит приблизиться к пониманию пространственной организации сложнейших биохимических и биофизических процессов, составляющих основу жизни. Возможности оптических методов уже достаточны для того, чтобы увидеть перемещение отдельно взятой молекулы, но как понять, обусловлено ли оно функциональной необходимостью или же просто тепловым движением? Французские учёные предлагают статистический алгоритм анализа «траекторий» движения молекул, отличающий направленное движение от бесцельного.

Метаболизм — совокупность клеточных биохимических процессов — чрезвычайно сложная сеть реакций, связи между различными «узлами» которой (генами и их продуктами) многообразны, часто неочевидны и слабо изучены. Недавно построена полная модель метаболизма человека, основанная на последней редакции последовательности генома и исчерпывающем учёте биохимической информации, скомпилированной из научной литературы более чем за полвека. Компьютерный анализ этой модели позволил установить функции многих белков с ранее неизвестной ролью, а также указал «темные места» в биохимии и молекулярной генетике человека.

С помощью методов флуоресцентной микроскопии исследователи увидели, как работают белки, способные обеспечить сохранность тканей, органов и продуктов питания при низких температурах.