Biologia strukturalna: historia, teraźniejszość i perspektywy

Abstract

Biologia strukturalna: historia, teraźniejszość i perspektywy WstępBiologia strukturalna bada strukturę przestrzenną makromolekuł biologicznych, głównie białek i kwasów nukleinowych, w celu zrozumienia, a być może i regulacji, funkcjonowania molekuł życia. Ze względu na ogromne rozmiary i giętkość tych molekułolbrzymów, ich struktury 3D jeszcze do niedawna nie można było przewidzieć ab initio.Problem "ścieżki zwijania" białek pozostanie jeszcze długo nierozwiązany, chyba że pomogą go złamać komputery kwantowe.Swoje początki w połowie XX. wieku wiąże biologia strukturalna z krystalografią rentgenowską, z którą przez wiele dekad była utożsamiana. Metoda krystalograficzna polega na badaniu struktury otrzymanego w postaci kryształu materiału biologicznego za pomocą dyfrakcji promieni X. W latach 80. ubiegłego wieku pewne wsparcie eksperymentalne przyszło ze strony jądrowego rezonansu magnetycznego (NMR) umożliwiającego badania struktury białek w roztworze, ale prawdziwy przełom nastąpił dopiero w ostatniej dekadzie wraz z rozwojem wysokorozdzielczej kriomikroskopii elektronowej (cryo-EM), pozwalającej na bezpośrednie obrazowanie makromolekuł z rozdzielczością niemal atomową. Protein Data Bank (PDB), który od 1971 roku gromadzi wyznaczone doświadczalnie struktury makromolekuł, początkowo odnotowywał kilka, najwyżej kilkadziesiąt nowych struktur rocznie (ryc. 1). W połowie lat 90. nastąpiła prawdziwa "eksplozja" zasobów PDB, związana z trzema czynnikami: (i) rozwojem biotechnologii, (ii) rozwojem technologii bardzo wydajnych komputerów osobistych oraz, przede wszystkim, (iii) z powszechnym zastosowaniem potężnych synchrotronowych źródeł promieniowania X. Postęp techniczny poszedł jednak dalej i dziś dysponujemy również laserami rentgenowskimi na swobodnych elektronach (XFEL), których promieniowanie ma wprost niewyobrażalną jasność. Umożliwia to skrócenie czasu naświetlania do kilkunastu femtosekund oraz badanie kryształów o wymiarach -100 nanometrów, a nawet pojedynczych makromolekuł. Wszystko to sprawia, że w PDB jest zdeponowanych obecnie ponad 210 tys. wyznaczonych doświadczalnie struktur makromolekuł, a roczny przyrost sięga 15 tys.