Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ
Развитие молекулярной и клеточной биологии, а затем и биотехнологии базируется на познании структурных и структурно-функциональных взаимосвязей все более сложных биологических объектов (мышц, мембран, вирусов, ДНК, белков).
Среди широкого спектра прямых методов определения пространственного строения биообъектов выделяется метод рентгеноструктурного анализа, как один из наиболее информативных и высокоразрешающих.
Особенности биологических объектов (низкая
рентгенорассеивающая способность, большие периоды идентичности, короткое время жизни под рентгеновским пучком) и необходимость выявления структурно-функциональных взаимосвязей в сложных, в том числе живых биосистемах, требуют разработки и применения техники рентгеновского эксперимента нового поколения.
Качественно новый уровень рентгеноструктурных исследований в настоящее время связывают с уникальными источниками рентгеновского излучения - синхротронами, оснащенными рентгенофокусирующими системами и высокочувствительными рентгеновскими детекторами. Однако чрезвычайно актуальной на этом фоне представляется разработка и применение подобного оснащения для широко распространенных лабораторных источников рентгеновского излучения. Это связано с тем, что решение огромного количество задач биологии как в науке, так и в промышленности происходит с использованием рентгеновских источников в лабораторных условиях, в том числе при осуществлении комплексных подходов с одновременным привлечением специалистов различных областей науки со всем арсеналом их методов и аппаратуры (биологов, физиков, биохимиков, физиологов и т.д.).
Разработке и созданию новых ренттенооптических фокусирующих систем для лабораторных источников рентгеновского излучения в применении к исследованию структуры и структурно-функциональных взаимосвязей конкретных биологических объектов посвящена данная работа.
2 Цель работы.
Целью настоящей работы было создание нового поколения рентгенооптических фокусирующих систем на основе зеркальной и дифракционной оптики для изучения широкого набора биологических объектов различного уровня структурной организации. Обеспечить их внедрение в практику изучения в лабораторных условиях структуры и структурно-функциональных взаимосвязей биологических объектов с различной структурной организацией, в частности: протяженных квазикристаллических объектов с большими периодами идентичности (мышца, пленки ДНК, биологические мембраны т.п.) и биологических кристаллов с большими периодами идентичности отличающихся как правило высокой мозаичностью.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
- определить оптимальные параметры рентгенофокусирующих
систем (сходимость рентгеновского пучка, его удельную
интенсивность, расстояние образец-детектор), предусматривая их*
максимальную универсальность в применении к решению
структурных задач;
определить основные принципы конструирования, материалы и оптимальные способы фокусировки рентгеновских лучей при создании рентгенофокусирующих систем необходимых качеств;
- разработать и систематизировать методики расчета
конструктивных параметров, создаваемых на основе зеркальной
и дифракционной оптики;
разработать (на основе зеркальной оптики) рентгенофокусирующие системы с переменным фокусным расстоянием, формирующие рентгеновский пучок высокой удельной интенсивности со сходимостью порядка 2-5 угловых минут с минимальными размерами фокального пятна, способными работать в автономном режиме и совместимыми с кинематическими устройствами типа камер Бюргера и Арндта-Воннакота;
разработать (на основе дифракционной оптики) универсальные рентгенофокусирующие системы с переменным фокусным расстоянием, формирующие рентгеновский пучок высокой удельной интенсивности со сходимостью порядка 1-3, с точечным фокальным пятном, совместимыми с кинематическими камерами;
опробировать разработанные рентгенофокусирующие системы, с их помощью исследовать ряд функционально значимых параметров сложных биологических объектов: -поперечно-полосатой мьшщы в нативном состоянии, пленок ДНК, препаратов биологических мембран, биологических кристаллов высокой мозаичности при больших периодах идентичности.
Научная новизна.
В ходе работы:
обоснованы способы фокусировки рентгеновского
излучения и подобраны необходимые материалы, применимые
при создании рентгенофокусирующих систем для исследования
сложных биологических объектов, позволившие оптимизировать
технические характеристики разрабатываемых
регатенооптических фокусирующих систем;
- разработаны и систематизированы методики расчета
конструктивных параметров рентгенофокусирующих систем,
создаваемых на основе зеркальной и дифракционной оптики, в
том числе:
а) зеркальных рентгенофокусирующих систем, построенных
на основе поверхностей второго порядка:
эллипсоида вращения;
коаксиально расположенных гиперболоида и эллипсоида;
двух коаксиально расположенных параболоидов.
б) на основе двух и четырех улругодеформируемых
цилиндрических зеркал;
в) на основе дифракционной оптики, содержащей
упругодеформированные кристаллы-монохроматоры с
переменным сечением;
разработаны алгоритмы расчета хода действительных лучей для каждого варианта применения рентгенофокусирующей оптики. Создано соответствующее программное обеспечение для ЭВМ, позволяющее рассчитать ход множества действительных лучей с индивидуальными коэффициентами отражения от фокусирующей поверхности и на этой основе сделать сравнительные оценки качеств фокусирующих систем;
впервые создано и испытано семейство систем точечной фокусировки рентгеновского пучка, построенных. на основе четырех попарно взаимно перпендикулярных зеркал, формирующих сходящийся рентгеновский пучок высокой удельной интенсивности при минимальных аберрациях и
4 размерах в фокальной плоскости. Системы могут перестраиваться на любое расстояние образец-детектор, обеспечивая при этом сходимость сфокусированного пучка в пределах 2-10 угловых минут,
- впервые построена и применена в эксперименте
рентгенофокусирующая система на основе двух последовательно
расположенных взаимно перпендикулярных монохроматоров,
позволяющая обеспечивать оптимальное направление
сфокусированного пучка и плавно менять фокусное расстояние,
обеспечивая сходимость сфокусированного пучка 1-4,
- с применением рентгенофокусирующих систем получены
рентгенограммы высокого разрешения от образцов нативной
мышцы в различных физиологических состояниях, позволившие
обнаружить не регистрируемые ранее меридиональные рефлексы.
Анализ рентгенограмм высокого разрешения позволил
предложить и обосновать модель, описывающую упаковку
белков миозиновой и немиозиновой природы толстых нитей
скелетных мышц.
Практическая ценность.
Практическая ценность работы состоит в следующем: -разработаны и систематизированы методики расчета различных типов рентгеновских фокусирующих систем, для работы с биологическими объектами;
создан пакет программ, позволяющий рассчитывать ход действительных лучей в рентгенофокусирующей системе и на основе расчетов делать сравнительные оценки качества фокусировки;
предложена решагенооптическая схема четырехзеркальной фокусирующей системы, позволяющая сочетать достоинства тороидально-эллиптической и двухзеркальной рентгенофокусирующих систем;
разработаны достаточно простые в изготовлении конструкции рентгенофокусирующих систем, с четырьмя попарно взаимно перпендикулярными упругодеформированными зеркалами. В конструкциях применялись два способа изгиба зеркал: традиционный - с симметричной схемой нагружения зеркал и с помощью консольного закрепления зеркал, нагруженных сосредоточенной нагрузкой в крайнем сечении;
разработана конструкция и изготовлена
рентгенофокусирующая система с двумя последовательными взаимно перпендикулярными кристаллами-монохроматорами.
5 Система позволяет использовать различные кристаллы-монохроматоры и обеспечивать оптимальное направление сфокусированного рентгеновского пучка;
создан комплекс рентгеновского анализа, в котором рентгеновская фокусирующая система монохроматор-монохроматор сопряжена с камерой рентгеновской универсальной. Комплекс позволяет получать трехмерный дифракционный набор от кристаллов биологических объектов с большими периодами идентичности в сходящемся пучке как по схеме Бюргера, так и по схеме Арндта-Воннакота без переюстировки кристалла;
С применением разработанных рентгенофокусирующих систем нами получены рентгенограммы высокого разрешения от поперечно-полосатых мышц в различных физиологических состояниях. На рентгенограммах впервые определены положения целого ряда рефлексов. Полученный экспериментальный материал послужил основой создания модели распределения белков миозиновой и немиозиновой природы в толстых нитях поперечно-полосатой мышцы.
Структура и объем работы.
