Фундаментальные биологические процессы — например, образование фибрилл (тонких нитевидных структур из белковых волокон, которые формируют основу многих тканей и клеток), сворачивание белков или их агрегация, связанная с неврологическими заболеваниями, — протекают в неравновесных условиях. Это значит, что даже небольшое изменение внешних факторов, например температуры, может их запустить. Хотя все эти процессы происходят в водной среде, раньше роль воды в них почти не изучали.

Мартина Хэвенит и ее команда с помощью терагерцовой калориметрии — метода, разработанного благодаря гранту ERC, — научились измерять термодинамические параметры, которые управляют биологическими функциями. Они работают в терагерцовом диапазоне, который раньше был недоступен для экспериментов. Точные спектроскопические измерения и новая теоретическая модель позволили обнаружить прямую связь между спектральными данными и термодинамическими величинами: теплоемкостью, свободной энергией.

Результаты опубликованы в издании Nature Reviews Chemistry.

Теперь мы можем использовать лазерную спектроскопию с временным разрешением в миллионные доли секунды, чтобы в реальном времени наблюдать, как устанавливается термодинамическое равновесие в химических реакциях, — говорит Хэвенит.

Это открывает путь к изучению процессов в наноконтейнерах и локальных «горячих точках», где формируются нейротоксичные белковые агрегаты.

Этот метод позволяет:

• Увидеть невидимое — отслеживать сверхбыстрые изменения в белках, которые раньше ускользали от наблюдения.
• Понять болезни — например, как образуются токсичные агрегаты при Альцгеймере или Паркинсоне.
• Создавать новые лекарства — зная, как белки взаимодействуют с водой, можно точнее проектировать молекулы, влияющие на эти процессы.

Хотя метод прорывной, его применение пока ограничено лабораторными условиями. В живых системах все сложнее — там действуют десятки факторов, которые могут искажать картину. Кроме того, терагерцовое излучение плохо проникает через биологические ткани, что затрудняет исследования in vivo.

Ранее ученые разработали альтернативу лазерной спектроскопии.