Как сказал Ричард Фейнман, ключ к пониманию биологии, это способность понять, что делают клетки. Только после того, как были определены атомные структуры первых белков исследователи смогли разобраться в механике биомолекулярного функционирования. Умение конструировать биомолекулы для выполнения новых функций положило начало новой эре рационального дизайна биомакромолекул. Вконце 50-х годов ХХвека Джон Кендрю с коллегами

расшифровал структуру миоглобина, выяснив на атомном уровне, каким именно образом белковая цепь может связывать кислород. С тех пор информация о структуре белков накапливается в Базе Данных Белков (Protein Data Base), которая доступна по Интернет-адресу http://www.pdb.org. Определение структуры биомолекул, хотя и имеет большую историю, все ещё является дорогостоящей процедурой в смысле необходимых инструментальных и человеческих ресурсов.

 Основные методы определения структуры биомолекул.

Нас будут интересовать не подробности каждого метода, а то, как можно использовать полученные результаты. Для спользования этих результатов в качестве стартовой точки в бионанотехнологии, важно представлять себе, насколько точно эти структурные результаты представляют действительную структуру молекул. Рентгеновская (Х-лучевая) кристаллография дает наиболее детальную информацию об атомной структуре молекул. Кристаллические тела, у которых межатомные расстояния соизмеримы с длиной волны рентгеновского излучения, т. е. составляют ~0,1 нм, являются для этих лучей трехмерной дифракционной решеткой. Поэтому при прохождении излучения через кристаллический объект рентгеновские лучи образуют интерференционную картину, которая может быть зафиксирована детектором. Характер той картины определяется размерами элементарных ячеек кристалла, их упорядоченностью и распределением электронной плотности в ячейках.

В основе дифракционных методов лежи явление интерференции волн, отраженных от структур, расположенных периодически в пространстве. Кристаллы, являясь трехмерными пространственными образованиями с постоянной решетки порядка 10–10 м, могут быть использованы для наблюдения дифракции рентгеновского излучения. Представим кристалл в виде параллельных кристаллографических плоскостей, отстоящих друг от друга на расстоянии d. Пучок параллельных монохроматических лучей, падает под углом скольжения θ (угол между направлением падающих лучей и кристалло-графической плоскостью) и возбуждает атомы кристаллической решетки, которые становятся источниками когерентных вторичных волн, интерферирующих между собой. Максимумы интенсивности будут наблюдаться в тех направлениях, в которы все отраженные атомными плоскостями волны будут находиться в одинаковой фазе (формулаВульфа–Брэггов)  2 sind m θ = λ)

Эта формула используется в рентгеноструктурном анализе – если известна длина волны λ рентгеновского излучения, то, наблюдая дифракцию на кристаллической структуре неизвестного строенияи измеряя θ и m, можно найти d, т.е. определить структуру вещества. Она также используется в рентгеновской спектроскопии – если известно расстояние d, то измеряя θ и m, можно найти длину волны λ падающего рентгеновского излучения.

Дифракция на кристаллической решетке. Для получения информации о структуре нанобиообъекто методом рентгеноструктурного анализа сначала из раствора, содержащего исследуемую молекулу, выращивается кристалл. Важными параметрами при этом являются концентрация биообъекта, тип и концентрация соли, рН, тип и концентрация поверхностно-активного вещества и прочие добавки, а также температура и скорость кристаллизации. Иногда кристаллы белка удаётся получить лишь после опр

Установка для исследования биологических образцов методом рентгеноструктурного анализа В данной установке кристалл охлаждается струёй азота через сопло криогенной системы. Охлаждение кристалла снижает деградацию кристалла из-за воздействия рентгеновских лучей, но оно же и слегка изменяет межмолекулярные расстояния. Дифракционную картину, которая представляет собой сложное, но специфическое для каждого образца распределение пятен, после компьютерной обработки превращается в диаграмму распределения электронной плотности, которая отражает пространственное положение и форму компонентов молекулы. Оборудование, которое необходимо для выращивания кристаллов, источник рентгеновских лучей и суперкомпьютеры для обработки полученных рентгенограмм, как правило, сосредоточены в специализированных международных центрах, имеющих достаточный бюджет для проведения таких исследований.

В результате кристаллографическог анализа исследователи получают трехмерную "карту" распределения электронной плотности в молекуле. Разрешение такой карты – расстояние между точками, на котором изменение электронной плотности может бытьзамечено – определяется качеством выращенног окристалла. Самые лучшие кристаллы из биомолекул обеспечивают данные с очень высоким разрешением и особенности молекулярной структуры, отстоящие друг от другана 0,1 нм (1 Ангстрем, 1 Å) могут быть легко распознаны на таких картах. Главным недостатком метода рентгеноструктурного анализа является необходимость выращивания кристалла. Однако молекулы в кристалле могут не соответствовать точно свободным молекулам в растворе, точнее молекулы в кристалле соответствуют какой-либо одной, замороженной, конформации свободной молекулы. Для большинства растворимых белков, к счастью, эти различия несущественны. Однако, функциональные особенности, связанные с подвижностью компонентов биомолекулы, должны исследоваться на большом числе кристаллов, выращенных в различныху словиях.