Białko w rekordowej rozdzielczości

02 09 2026

Międzynarodowy zespół naukowców określił strukturę białka rubredoksyny z rekordową rozdzielczością 0,43 Ångströma, otwierając drogę do rutynowego wykorzystania krystalografii kwantowej w badaniu makrocząsteczek biologicznych. Nowa metoda może przyczynić się do opracowywania nowych leków oraz projektowania enzymów na potrzeby chemii i materiałoznawstwa. Wyniki badań, w których brała udział prof. Paulina Dominiak kierownik grupy badawczej Modelowania Gęstości Elektronowej, zostały opublikowane w czasopiśmie „Acta Crystallographica Section D: Structural Biology”.

Enzymy to prawdziwe maszyny o wysokiej wydajności. Z niemal idealną precyzją i efektywnością przeprowadzają różnorodne reakcje chemiczne w organizmach. Podczas gdy syntetyczne procesy chemiczne często wymagają ekstremalnych temperatur lub ciśnień, enzymy działają energooszczędnie i w sposób zrównoważony w roztworach wodnych o temperaturze ciała.

Naukowcy z Niemiec, Szwajcarii, Wielkiej Brytanii i Polski ustalili strukturę białka rubredoksyny z rozdzielczością 0,43 Ångströma – najwyższą, jaką kiedykolwiek osiągnięto.

Wyniki ich badań i zastosowana metodologia mogą, przy pomocy dokładnych danych dyfrakcji rentgenowskiej, umożliwić rutynowe stosowanie krystalografii kwantowej do badania makrocząsteczek biologicznych. Uzyskanie dogłębnego wglądu w reakcje katalizowane przez enzymy dzięki temu podejściu otwiera drzwi do opracowywania leków na choroby ludzkie oraz tworzenia enzymów projektowanych specjalnie do zastosowań w chemii i materiałoznawstwie. Zastosowanie wykracza daleko poza badania podstawowe.

Wyniki zostały opublikowane w czasopiśmie „Acta Crystallographica Section D, Structural Biology”.

Odkrywanie tajemnic

Aby zrozumieć niezwykłą wydajność enzymów, naukowcy muszą poznać nie tylko rozmieszczenie atomów, ale także rozkład elektronów w ich strukturze. Krystalografia rentgenowska o rozdzielczości lepszej niż 1,1 Å pozwala wyznaczać gęstość elektronową, a dzięki temu badać wiązania chemiczne i zjawiska kwantowe zachodzące w cząsteczce.

W szczegółach gęstości elektronowe ujawniają właściwości elektronowe i zjawiska mechaniki kwantowej. Te z kolei dostarczają informacji na temat stanu kwantowego miejsca aktywnego enzymu, substratów, produktów pośrednich i końcowych. – Ostatecznie ta kompleksowa obserwacja eksperymentalna umożliwi opracowanie leków dostosowanych do konkretnych chorób u ludzi, a także enzymów projektowanych specjalnie do katalizowania reakcji chemicznych – mówi prof. Ashwin Chari, kierownik grupy badawczej ds. biochemii strukturalnej i mechanizmów w Instytucie Nauk Multidyscyplinarnych im. Maxa Plancka w Getyndze (Niemcy). Jednak tak wysokie rozdzielczości wiążą się z ryzykiem: promieniowanie może uszkodzić struktury biologiczne, zmieniając szczegóły, które naukowcy mogą w nich dostrzec.

Rekordowa struktura rubredoksyny

Naukowcy – pod kierownictwem prof. Chari – Gleb Bourenkov z Europejskiego Laboratorium Biologii Molekularnej (Hamburg, Niemcy), prof. Clemens Schulze-Briese z DECTRIS (Baden-Daettwil, Szwajcaria), prof. Gérard Bricogne z Global Phasing (Cambridge, Wielka Brytania) oraz prof. Paulina Dominiak z Centrum Nauk Biologiczno-Chemicznych Uniwersytetu Warszawskiego znaleźli sposób na pokonanie dotychczasowych ograniczeń. Określili strukturę białka rubredoksyny pochodzącej z archeonów z rozdzielczością 0,43 Å.

– Zgodnie z naszą najlepszą wiedzą jest to struktura białka o najwyższej rozdzielczości, jaką dotychczas udało się określić – wyjaśnia prof. Chari i dodaje: – Było to możliwe dzięki szeregowi innowacji technicznych i usprawnionych procedur. Połączyliśmy najnowocześniejszą krystalografię rentgenowską z zaawansowanymi modelami kwantowo-chemicznymi, łącząc w ten sposób biologię strukturalną z fizyką kwantową.

Podstawą eksperymentu były wcześniejsze badania nad wpływem promieniowania na kryształy białek. Naukowcy wykazali, że zastosowanie dużych kryształów, małych dawek promieniowania, wiązki o równomiernym profilu oraz optymalizacji procesu zbierania danych pozwala ograniczyć uszkodzenia i uzyskiwać wiarygodne dane w skali poniżej jednego ångströma.

Asferyczny rozkład elektronów

Pomiary przeprowadzono w ośrodku DESY w Hamburgu, wykorzystując źródło promieniowania PETRA III oraz linię P14 Europejskiego Laboratorium Biologii Molekularnej EMBL. Zastosowana tam wiązka rentgenowska typu top-hat ma równomierną intensywność i może być dopasowywana do wielkości badanego kryształu. Samo zbieranie i przetwarzanie danych odbywa się zgodnie z zaawansowanymi, dynamicznie tworzonymi protokołami oprogramowania firmy Global Phasing, indywidualnie dostosowanymi do każdej próbki. Pozwala to precyzyjnie kontrolować dawkę promieniowania i uzyskać dane o maksymalnej jakości.

Dane o rozdzielczości 0,43 Å umożliwiły określenie położenia atomów w strukturze rubredoksyny, w tym atomów wodoru. Naukowcy uzyskali również wyjątkowo dokładny obraz gęstości elektronowej, pozwalający dostrzec m.in. elektrony znajdujące się w obszarze wiązań chemicznych oraz cząstkowe ładunki atomów.

Jak podkreśla prof. Paulina Dominiak, tak dokładnych danych nie można już poprawnie opisywać za pomocą standardowych, „sferycznych” modeli rozpraszania promieniowania. Konieczne jest uwzględnienie bardziej realistycznego, asferycznego rozkładu elektronów.

W tym celu biblioteka oprogramowania DiSCaMB dostarczająca transferowalne asferycznemodele atomowe (TAAM) została połączona z oprogramowaniem BUSTER firmy Global Phasing, służącym do udokładniania modeli białkowych. Dzięki temu zespół był w stanie w zadowalający sposób udokładnić strukturę białka używając asferyczne gęstości elektronowe i opierając się o wyjątkowe dane dyfrakcyjne.

Od badań podstawowych do nowych leków

Autorzy przewidują, że przy odpowiednio dokładnych danych rentgenowskich krystalografia kwantowa może w przyszłości stać się rutynową metodą badania makrocząsteczek biologicznych. Pozwoliłaby nie tylko zobaczyć, gdzie znajdują się atomy, ale także analizować właściwości elektronowe odpowiedzialne za przebieg reakcji enzymatycznych. W dłuższej perspektywie może to ułatwić projektowanie nowych leków, katalizatorów i enzymów wykorzystywanych w chemii oraz materiałoznawstwie.

Badania były efektem współpracy naukowców z EMBL, Global Phasing, DECTRIS, Uniwersytetu Warszawskiego oraz Instytutu Nauk Multidyscyplinarnych im. Maxa Plancka. Prace sfinansowały Fundacja Volkswagena oraz Narodowe Centrum Nauki.

Publikacja: Paknia, E., Flensburg, C., Chodkiewicz, M. L., Fogh, R. H., Keller, P., Vonrhein, C., Schulze-Briese, C., Dominiak, P. M., Bourenkov, G., Bricogne, G. & Chari, A. (2026): Towards routine accurate electron-density studies of biological macromolecules. Acta Crystallogr. D Struct. Biol. 82, 1044-1055. https://doi.org/10.1107/S2059798326007448