Krystalizace proteinů byla popsána již před 180 lety v knize F. L. Hünefelda
“Chemical properties of animal organization” [1]. Rychlý rozvoj krystalizačních
technik proteinů začal v 80-tých létech minulého století, kdy začalo být
zřejmé, že rtg. strukturní analýza se stává optimální metodou pro stanovení
struktury a funkce biologických makromolekul (viz např. [2]). Od té doby bylo
na toto téma publikováno tisíce článků. Obrovské investice do rozvoje
krystalizačních technik zejména ze strany farmaceutických společností vedly
k jejich masovému rozvoji a automatizaci, která umožňuje testování tisíců
krystalizačních podmínek s poměrně malými nároky na pracovní sílu. Přesto
krystalizace proteinů zůstává i nadále hlavním limitujícím faktorem
spolehlivého a přesného stanovení struktury molekulárních systémů, které
bio-molekuly v organizmech vytvářejí. Stále převládá nedůvěra, že existuje
spolehlivá cesta k racionální přípravě dobře difraktujících krystalů. Důvodem
je velké množství používaných empirických postupů, které mají často protichůdná
odůvodnění. Teoretické práce se zabývají podrobně procesem vysrážení makromolekuly
z roztoku, ale obvykle pomíjí řešení hlavního problému – to, proč ve
většině případů vzniká nekrystalická sraženina místo pravidelně uspořádaného
krystalu.
Naše dynamická teorie krystalizace proteinů je postavena na principu dominantního adhezního módu, který je podmínkou vzniku pravidelné krystalické fáze. Nové pojmy adhezní mód, protein-povrchově aktivní látky (protein surface active agents) umožňují jednotné a logické zdůvodnění všech dosud používaných postupů krystalizace [3,4,5]. Tento jednotný pohled na krystalizaci proteinů ukazuje limity použitelnosti současných metod a dává naději na přípravu kvalitnějších krystalů s lepší difrakcí a snížení časové a finanční náročnosti výzkumu.
V tomto příspěvku ukážeme využití dynamické teorie pro mikro-pórézní materiály, které jsou schopné řízené iniciace krystalizace biologických makromolekul. Dřívější teorie vysvětlovaly iniciaci krystalizace v omezeném prostoru zvýšenou koncentrací proteinu v dutinách mikroporézního materiálu a vedly ke kontroverzním závěrům ohledně heterogenního materiálu a k diametrálně odlišným odhadům optimální velikosti dutin podle různých autorů [6].
Naše teorie vysvětluje iniciaci krystalizace orientačním efektem při vazbě molekul proteinu na konkávní povrch dutiny. Jednotná vazba na povrchu substrátu vede k unifikaci zbývajících protein-protein adhezních módů mezi makromolekulami v dutině. Proteinové klastry vznikající z předběžně orientovaných molekul proteinu v dutinách jsou proto mnohem pravidelnější a stálejší než ty vznikající ve volném roztoku a vedou tedy ke vzniku stabilních krystalizačních zárodků.
K cílené přípravě mikroporezního materiálu s dobře definovaným tvarem a velikostí pórů je možné použít například speciální polymery s molekulárním otiskem (molecularly imprinted polymers) [7]. Předpokládáme, že cílený návrh a příprava mikroporézního iniciátoru krystalizace umožní řízenou přípravu velkého množství mikrokrystalků potřebných pro sériovou proteinovou krystalografii na femtosekundových zdrojích rtg záření (femtosecond X-ray laser facilities).
Supported by Czech Science Foundation 18-10687S, RVO 86652036.