Της Κωνσταντίνας Ζαμπουρίδου,
Διανύοντας πλέον τον 21ο αιώνα, η επιστήμη της βιολογίας εξελίσσεται ραγδαία σε όλους τους τομείς της. Ένας από τους πιο σημαντικούς είναι η δομική βιολογία, η οποία ασχολείται με τον προσδιορισμό και την ανάλυση των δομών και των συμπλόκων βιολογικών μακρομορίων. Τα μακρομόρια έχουν μεγάλο μοριακό βάρος από 103 μέχρι και 109 (εξ ου και η ετυμολογία της λέξης), αλλά στην πραγματικότητα είναι μόρια με μικρές διαστάσεις που δεν είναι εύκολα προσεγγίσιμες για τους επιστήμονες. Φυσικά, για την κατανόηση των λειτουργιών τους, η αποκρυπτογράφηση της δομής τους ήταν απαραίτητη και κάπως έτσι γεννήθηκε και η ανάγκη για τη μικροσκοπία και μετέπειτα την κρυσταλλογραφία.
Όπως υποδηλώνει και το όνομά της, η κρυσταλλογραφία μελετά την τρισδιάστατη δομή κρυστάλλων, δηλαδή μίας φάσης της στερεάς κατάστασης, που χαρακτηρίζεται από την ύπαρξη της περιοδικής διευθέτησης των ατόμων και των μορίων που την αποτελούν. Παράλληλα, η δομική βιολογία, αναζητώντας τις ακριβείς δομές και λειτουργίες των μακρομορίων, χρειάζεται μία τεχνική η οποία προσφέρει πολύ μεγάλη διακριτική ικανότητα (έτσι ορίζεται η ελάχιστη απόσταση που μπορούν να έχουν δύο σημεία, ώστε να μην φαίνονται σαν ένα, ή αλλιώς η ελάχιστη τιμή του μεγέθους που μπορεί να μετρηθεί από ένα όργανο). H σύγχρονη κρυσταλλογραφία ακτινών Χ προσφέρει διακριτική ικανότητα μέχρι και 0,5 angstrom, ενώ ένας χημικός δεσμός ανάμεσα σε δύο άτομα κυμαίνεται από 1 έως 2 angstrom.
Καταλαβαίνουμε ότι πλέον έχουμε την ικανότητα να διακρίνουμε τόσο μικρές αποστάσεις, ώστε να μπορούμε να καταλάβουμε το πώς συνδέονται τα άτομα μεταξύ τους. Ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα, βέβαια, είναι το πώς θα ανακτήσουμε την τρισδιάστατη δομή των μορίων, η οποία εξ ακολούθως θα μας οδηγήσει στην κατανόηση της συνολικής λειτουργίας των μακρομορίων, που είναι και το ζητούμενο της δομικής βιολογίας. Αυτή είναι μία πολύ απαιτητική πρόκληση, που λύνεται με διάφορους τρόπους και συνήθως με πολύ κόπο! Η κρυσταλλογραφία, λοιπόν, είναι άμεσα σχετιζόμενη με τη δομική βιολογία, καθώς αποτελεί ένα πολύ σημαντικό εργαλείο, με το οποίο είναι δυνατή η διάκριση δομών και δεσμών που προηγουμένως δεν ήταν εφικτή. Φυσικά, κάτι τέτοιο δεν επιτεύχθηκε εν μία νυκτί, καθώς ακόμα και σήμερα, η κρυσταλλογραφία δεν αποτελεί μία εύκολη διαδικασία.
Για την ολοκλήρωση μίας κρυσταλλογραφίας ακτινών Χ απαιτούνται αρκετά στάδια, που προαπαιτούν πολύ προσεκτικό χειρισμό. Το πρώτο βήμα είναι να κατασκευαστούν οι κρύσταλλοι του ενδιαφερόμενου μορίου. Πρόκειται για μία χρονοβόρα και επίπονη διαδικασία για τους ερευνητές, καθώς χρειάζεται να βρεθούν οι κατάλληλες συνθήκες, κατά τις οποίες το υπέρκορο διάλυμα του μορίου κρυσταλλώνεται και δεν δημιουργείται ένα άμορφο ίζημα. Εφόσον δημιουργηθεί ο κρύσταλλος, μετά από πιθανώς πολλές απόπειρες, έρχεται η ώρα για να συλλέξουμε τα δεδομένα που χρειάζονται, φυσικά μέσα από ανάλυση περίθλασης ακτινών Χ.
Ουσιαστικά ρίχνουμε στον κρύσταλλο μία μονοχρωματική και παράλληλη δέσμη ακτινών Χ, η οποία αλληλεπιδρά με το κρυσταλλικό πλέγμα, προκαλώντας τη διάθλαση των ακτινών σε συγκεκριμένες κατευθύνσεις, λόγω σκέδασης. Αυτές, αποτυπώνονται σε ένα ειδικό φιλμ, δημιουργώντας το λεγόμενο φάσμα περίθλασης. Το φάσμα αυτό αποτελείται από κηλίδες ή κορυφές οι οποίες αντιστοιχούν στις διευθύνσεις και στα πλάτη των διαθλασμένων ακτινών Χ, παρέχοντας έτσι πληροφορίες σχετικά με τη διάταξη των ατόμων στον κρύσταλλο.
Έπειτα, ακολουθεί η μαθηματική ανάλυση των δεδομένων, έτσι ώστε να γίνουν γνωστές και οι φάσεις των διαθλασμένων ακτινών («πρόβλημα των φάσεων»), μία πολύ πολύπλοκη διαδικασία, που απαιτεί, μεταξύ άλλων, σημαντική υπολογιστική δύναμη. Μετέπειτα, γίνονται κάποιες βελτιώσεις και συναρμολογείται το πολυπόθητο τρισδιάστατο μοντέλο. Φυσικά, τα στάδια έχουν παρουσιαστεί υπεραπλουστευμένα, αλλά ακόμα και έτσι, αντιλαμβανόμαστε πόσο απαιτητική διαδικασία είναι η κρυσταλλογραφία ακτινών Χ και, παράλληλα, πόσο σημαντική.
Αξίζει να σημειωθεί ότι από το σύστημα κρυσταλλογραφίας απουσιάζουν οι φακοί όπως τους γνωρίζουμε από την κλασική οπτική μικροσκοπία. Για αυτόν τον λόγο, υπάρχει το διάσημο «πρόβλημα των φάσεων», δεν γνωρίζουμε δηλαδή τις φάσεις των διαθλασμένων ακτινών Χ, το οποίο σήμερα λύνεται με ποικίλους τρόπους. Οι τρόποι αυτοί μπορεί να περιλαμβάνουν τη χρήση κάποιων βαρέων ατόμων ή ακόμα και την επιτηδευμένη αλλαγή του μήκους κύματος της προσπίπτουσας ακτινοβολίας και φυσικά, όπως αναφέρθηκε παραπάνω, μαθηματική ανάλυση.
Συμπερασματικά, η κρυσταλλογραφία ακτινών Χ άνοιξε νέους ορίζοντες για τη δομική βιολογία, μεταβιβάζοντάς την πλέον στη νέα εποχή της μικροσκοπίας και της τρισδιάστατης επανασύστασης. Παρότι η πειραματική διαδικασία πίσω από την κρυσταλλογραφία δεν είναι εύκολη, τα αποτελέσματα που έχει την προοπτική να προσφέρει υπερτερούν των δυσκολιών της, γι’ αυτό και εδραιώθηκε στην επιστημονική κοινότητα. Σήμερα μπορούμε να πούμε με βεβαιότητα ότι στον μικρόκοσμο έχει επιτευχθεί η «ορατότητα» σε τάξη μεγέθους χημικού δεσμού δύο ατόμων. Άραγε, μέχρι που μπορεί να φτάσει ακόμα;
ΕΝΔΕΙΚΤΙΚΕΣ ΠΗΓΕΣ
- X Ray Crystallography, National Library of Medicine, pubmed. Διαθέσιμο εδώ
- Protein crystallization for X-ray crystallography, jove.com. Διαθέσιμο εδώ
- A glimpse of structural biology through X-ray crystallography, cell.com. Διαθέσιμο εδώ
