Proect Contro
Ви тут:  / Наука і техніка / Революція в мікроскопії: вчені змогли побачити окремі атоми білка

Революція в мікроскопії: вчені змогли побачити окремі атоми білка

Кріоелектронна мікроскопія (кріо-ЕМ) – новаторська технологія отримання тривимірних зображень молекул – вийшла на безпрецедентно високий рівень роздільної здатності, вперше у своїй історії виділивши окремі атоми білка.

Дослідження апоферитину

Це історичне досягнення вдалося двом групам вчених з Німеччини та Сполученого Королівства. Результати досліджень були опубліковані на сервері препринтів bioRxiv 22 травня.

Щоб вивести кріо-ЕМ на рівень атомарної роздільної здатності обидві команди провели досліди над білком апоферитином, який зв’язує залізо. Вибір науковців зупинився саме на цьому білку через надзвичайно високу стабільність його молекули. Вчені застосували технічні удосконалення, які забезпечили однаковість швидкості руху електронів, спрямованих мікроскопом, до їх зіткнення зі зразком апоферитину. Крім того, група з Великобританії (а це науковці під керівництвом Сьорса Шереса і Раду Аріческу, структурних біологів Лабораторії молекулярної біології Ради медичних досліджень у Кембриджі) використала технологію, що знижує рівень шуму від окремих електронів, які не поцілили в молекулу білка, а також більш чутливу камеру для виявлення електронів.

Як результат, вчені здійснили справжній науковий прорив та отримали найчіткіші за весь час зображення структури молекули білка методом кріо-ЕМ: німецький колектив (під керівництвом Хольгера Штарка, біохіміка та електронного мікроскопіста з Інституту біофізичної хімії ім. Макса Планка у Геттінгені) – з роздільною здатністю 1,25 ангстрема (1 ангстрем становить 10–10 метра або одну десятимільйонну частину міліметра), а колектив Шереса та Аріческу – з роздільною здатністю 1,2 ангстрема, що дало змогу побачити окремі атоми гідрогену не лише самого апоферитину, але і молекул води навколо нього. Попередній рекорд роздільної здатності зображення структури білка становив 1,54 ангстрема.

Дослідження ГАМКА-рецептору

Крім того, Шерес і Аріческу також випробували свій вдосконалений метод кріо-ЕМ для дослідження спрощеної форми білка рецептору гамма-аміномасляної кислоти (ГАМКА-рецептору), який знаходиться в мембрані нейронів і слугує мішенню для загальних анестетиків, заспокійливих ліків та багатьох інших препаратів. Минулого року група Аріческу візуалізувала структуру цього білка з роздільною здатністю в 2,5 ангстрема, проте зараз, застосувавши покращену технологію, вченим вдалося отримати зображення з роздільною здатністю в 1,7 ангстрема, а у деяких ключових частинах молекули і ще вищою.

Збільшення роздільної здатності навіть на пів ангстрема настільки розширює уявлення про досліджуваний білок, що науковці порівнюють це з відкриттям цілого нового Всесвіту. Так, отримана Шересом та Аріческу структура ГАМКА-рецептора виявила раніше небачені деталі цього білка, зокрема, молекули води в «кишені», де знаходиться гістамін. Це відкриття має важливе значення для структурно-орієнтованого конструювання ліків, оскільки показує, як ліки можуть витісняти молекули води, що відкриває шлях для створення медичних препаратів з меншою кількістю побічних ефектів.

Поняття кріо-ЕМ та історія її розвитку

Кріо-ЕМ – це технологія, що дає змогу визначити структуру швидкозаморожених зразків речовин, обстрілюючи їх електронами та записуючи отримані в результаті цього зображення. Виникла вона декілька десятиліть тому та за час свого існування зазнала суттєвого прогресу. Якщо на початку 2000-х років максимальна роздільна здатність зображень, отриманих із застосуванням кріо-ЕМ, складала орієнтовно 10 ангстрем (тобто 1 нанометр), то сьогодні вона досягла атомарного рівня в близько 1,2 ангстрема.


Візуалізація молекули білка апоферитину, отримана шляхом кріоелектронної мікроскопії

 

Початок «революції роздільної здатності» припав орієнтовно на 2013 рік, чому сприяв розвиток технології виявлення відбитих електронів та програмного забезпечення для аналізу зображень. Завдяки цьому зображення структур білків, отриманих за допомогою кріо-ЕМ, суттєво наблизились за чіткістю до зображень, здобутих методом рентгеноструктурного аналізу – більш давньої технології, яка створює візуалізації структур за дифракційними картинами, що виникають внаслідок бомбардування білкових кристалів рентгенівськими променями. Однак, попри подальше вдосконалення апаратури і програмного забезпечення кріо-ЕМ та, відповідно, підвищення чіткості зображень, для отримання структур молекул з атомарною роздільною здатністю вчені все ж були змушені покладатись переважно на рентгеноструктурний аналіз.

Початок гегемонії кріо-ЕМ

Науковий прорив, здійснений лабораторіями Штарка, Шереса і Аріческу, виводить кріо-ЕМ на чільне місце серед технологій для отримання зображень тривимірних структур білків та більшості структурних досліджень загалом, вважають вчені. Ключовою перевагою кріо-ЕМ є те, що для неї потрібен лише очищений розчин піддослідного білка, в той час як для рентгеноструктурного аналізу білок необхідно кристалізувати, що може зайняти місяці або навіть роки, а чимало медично вагомих білків взагалі не утворюють придатних для вивчення кристалів.

Візуалізація є достатньо точною, щоб однозначно визначити місцеперебування окремих атомів у молекулі білка, при роздільній здатності близько 1,2 ангстрема. Вперше подолавши цей бар’єр, кріо-ЕМ відкриває можливості для безпрецедентно детального вивчення механізму роботи білків, які складно дослідити із застосуванням інших технологій, зокрема рентгеноструктурного аналізу.

З великою імовірністю кріо-ЕМ користуватиметься значним попитом серед фармацевтичних компаній, яким знадобляться структури молекул з атомарною роздільною здатністю. Ці структури допоможуть дослідникам вивчити роботу ферментів та визначити препарати для блокування їх активності, а також зрозуміти, як функціонують білки в здоровому і хворому організмах, що дозволить удосконалити лікарські засоби, мінімізувавши їх побічні ефекти.

Межі можливостей кріо-ЕМ

Поєднавши напрацювання лабораторії Штарка та групи Шереса і Аріческу, потенційно можна підвищити роздільну здатність кріо-ЕМ до близько 1 ангстрема, але не надто далі. Досягнення роздільної здатності в менше ніж 1 ангстрем, хоча і можна допустити в теорії, проте на практиці є неможливим. Отримання за допомогою кріо-ЕМ настільки детальної структури молекули навіть з використанням сучасних найпередовіших технологій займе декілька сотень років, необхідних для збору даних, і потребуватиме колосальної кількості обчислювальних ресурсів та місткості пам’яті.

Отримання шляхом кріо-ЕМ тривимірних структур з атомарною роздільної здатністю багатьох білків і далі залишатиметься складним завданням з різних причин, зокрема через гнучкість їх молекул. Проте, шлях для цього може відкрити низка новаторських рішень, в тому числі зміни у методиці підготовки білкових зразків. Розчини білків, досліджуваних в кріо-ЕМ, заморожуються на крихітних решітках із золота, і належні вдосконалення цих решіток забезпечили би більш міцну фіксацію білків.

На фото вгорі: Знімок апоферитину з роздільною здатністю 1,2 ангстрема, отриманий за допомогою кріо-ЕМ

Владислав Пеньонжко

Залишити коментар

Ваша електронна адреса не буде опублікована. Обов’язкові поля позначені ( * )