Известны около 3000 наследственных заболеваний, которые передаются из поколения в поколение. ДНК-диагностика определяет риски возникновения лишь некоторых – эндокринных, онкологических, сердечно-сосудистых, нейродегеративных. Однако многие болезни заметны лишь на атомном уровне.
Научный сотрудник лаборатории диагностики углеродных материалов и спиново-оптических явлений в широкозонных проводниках Анастасия Харламова провела теоретический анализ структуры больных молекул ДНК. Эти расчёты расширяют возможности ДНК-диагностики и дают новые сведения для борьбы с пока неизлечимыми заболеваниями.
Структуру молекулы качественно можно увидеть лишь на лазере ультракоротких импульсов. Один из них – Европейский рентгеновский лазер на свободных электронах (XFEL), который позволяет «сфотографировать» состав молекулы, а дальше перед учеными возникает задача по расшифровке полученных данных. Сотрудники САФУ предложили теорию, с помощью которой можно смоделировать эксперимент по облучению молекул.
– Теоретическая модель позволяет получить дифракционную картину того, что видно в этой молекуле под ультракоротким импульсом. Как если бы произошло взаимодействие выбранной вами молекулы с ультракоротким импульсом. Импульс как бы теоретически облучает выбранную вами молекулу ДНК с дефектом, и после расчёта вы получаете дифракционную картину того, что было бы на эксперименте. Это модель уже готова, разработана мной и моими коллегами, под руководством заведующего лаборатории профессора Дмитрий Николаевича Макарова. Пользоваться расчётом могут врачи, фармацевты, биологи, – рассказывает Анастасия Харламова.
Первый в мире лазер, способный выпускать ультракороткие рентгеновские импульсы появился в 2009 году в США. Продолжительность такого импульса – 2-10 фемтосекунд. Одна фемтосекунда – одна квадриллионная секунды. Только на такой скорости можно «сфотографировать» электрон, вращающийся на скорости 2 тысячи километров в секунду вокруг ядра, или атом, постоянно меняющий положение в молекуле. До появления атомных фотографий представления о ДНК строились на классических анализах.
– Исследование, которое сейчас поставлено на поток, это секвенирование – достаточно сложный метод, получивший Нобелевскую премию. Молекулу делят в специальном геле на участки, пускают электричество и смотрят, как она двигается. Чем больше молекула, тем она тяжелее, тем медленнее будет двигаться. По этому движению делают вывод, из каких структур молекула состоит. Есть секвенаторы, определяющие последовательности нуклеотидов в ДНК. К сожалению, некоторые болезни заметны только на атомном уровне. Отсутствие одного атома говорит о том, что, например, в дальнейшем, через 30 лет человек будет болеть очень сложной генетической болезнью. Есть различные заболевания, которые возникают от мутации молекулы ДНК, один атом замещается другим, это не всегда возможно заметить при секвенировании, – объясняет Анастасия.
Использование Европейского рентгеновского лазера на свободных электронах European XFEL, фотографии с которого используют учёные САФУ, позволил увидеть каждый атом молекулы ДНК. Благодаря этому стало возможным узнать, какие вещества вызывают мутацию атомов, понять, от чего возникают онкологические заболевания, предотвращать их и подбирать эффективные лекарства.
Учёные САФУ подчёркивают, что метод исследует живую, а не замороженную молекулу ДНК. Ведь заморозка вносит погрешность в данные. А здесь все компоненты молекулы сняты в движении, что тоже несёт информацию.
– Атомный анализ может иметь широкий спектр применения. Можно рассматривать не только ДНК, но и, например, алмазные пластины. Однако для кристаллических структур существуют другие более качественные способы, а для биомолекул нет. Меня интересовали биомолекулы, потому что первое обучение в магистратуре я проходила по направлению «Биофизика и медицинская техника». Многие институты в мире ведут исследования на XFEL, но самые интересные результаты можно получить в области живых молекул, – заключает Анастасия.
