С развитием генетической инженерии и технологии рекомбинантной ДНК появилась возможность управления синтезом молекул, являющихся промежуточными частицами и катализаторами химических реакций, обеспечивающих жизнедеятельность организмов. Открытие новых способов синтеза позволило разработать мощные аналитические методы исследования как сложных макромолекул, таких как белки и нуклеиновые кислоты, так и более простых химических соединений. Основной среди них рентгеноструктурный анализ (рентгеновская кристаллография), позволяющий определять структуру молекул по дифракционной картине, которая возникает при рассеянии рентгеновских лучей кристаллами.
Рентгеновская кристаллография один из самых эффективных методов анализа пространственной структуры молекул на атомном уровне. С помощью этого метода можно также наблюдать взаимодействие макромолекул с другими молекулами. Рентгеновская кристаллография позволяет, например, установить, что происходит, когда фермент связывается с субстратом, чтобы катализировать химическую реакцию, или, когда антитело образует комплекс с антигеном.
С тех пор как в 1913 г. рентгеновская кристаллография вошла в практику научных исследований, усовершенствование источников рентгеновского излучения, детектирующих устройств, а также повышение скорости и точности расчетов привели к резкому сокращению времени получения рентгенограмм. Раньше для определения структуры какой-нибудь обычной молекулы уходили годы, а теперь этот процесс занимает одну-две недели. На расчет, уточнение и графическое построение пространственной структуры макромолекулы может потребоваться не более нескольких месяцев.
Если структура молекулы белка уже была рассчитана, на установление деталей строения ее комплекса с другими молекулами может потребоваться лишь несколько дней. Действительно, в настоящее время трудности кристаллографических исследований связаны уже не с техникой метода, а с наличием макромолекулярных кристаллов. В кристаллическом виде удалось получить только небольшую часть из тысяч известных белков. Большинство белков и нуклеиновых кислот кристаллизуется с трудом; кроме того, кристаллы для рентгеноструктурного анализа практически не должны иметь дефектов.
Поэтому биохимики были вынуждены ограничивать свои исследования веществами, для которых можно было получить кристаллы; так, например, о ферментах судили по лизоциму куриного яйца, пепсину желудочного сока и гемоглобину крови. Несмотря на то что впервые кристаллы белков были выращены более века назад, на сам процесс роста кристаллов обычно не обращали внимание. До изобретения рентгеновской кристаллографии рост кристаллов (который происходил в отсутствие примесей) служил для демонстрации чистоты образца.
Эта процедура рассматривалась скорее как своего рода искусство, а не как научный эксперимент. Даже сегодня найдется немного людей, в совершенстве владеющих приемами и методами выращивания макромолекулярных кристаллов, и в этой области имеется всего лишь несколько эмпирических подходов. Отсутствие методов получения кристаллов некоторых белков и нуклеиновых кислот не позволяет установить характер взаимодействий между природными макромолекулами. По этой же причине тормозится развитие биотехнологической промышленности.
Потенциальные же возможности этой отрасли, оснащенной средствами видоизменения природных макромолекул и создания новых, представляются поистине ошеломляющими. Определение структуры как можно большего числа макромолекул оказало бы огромную помощь в развитии этой промышленности. Ферменты, применяемые при выпечке хлеба, в пивоварении и производстве других пищевых продуктов, можно было бы подвергать обработке с целью изменения их растворимости, тепло или кислото-стойкости, если бы удалось идентифицировать основные структурные фрагменты их молекул.
Можно было бы повысить питательную ценность зерновых и бобовых, а также сопротивляемость сельскохозяйственных культур к болезням и неблагоприятным погодным условиям. Если бы удалось получить четкое представление о взаимодействиях между лекарством и его молекулой-мишенью, можно было бы целенаправленно и последовательно создавать лекарственные препараты, взаимодействующие с белками и нуклеиновыми кислотами.
Таким образом, ключевая проблема, связанная с реализацией возможностей биотехнологии заключается в разработке новых надежных методов получения кристаллических образцов белков и нуклеиновых кислот для исследования методами рентгеновской кристаллографии. Для повышения эффективности таких исследований следует уделять больше внимания физическим и химическим принципам кристаллизации макромолекул.