Перше зображення; окремі атоми білка

Опубліковано 05.06.2020 о 18:42

Щойно перебрали нову віху з точки зору молекулярної візуалізації: групі європейських дослідників вдалося візуалізувати атоми білка у всій їх індивідуальності. До цього часу жодне спостереження в такому масштабі в такому організмі було неможливим.

Картографування розподілу атомів в апоферритині, білку, що знаходиться в тонкому кишечнику.

Пол Емслі/MRC Лабораторія молекулярної біології

Ще ніколи білок не був розкритий настільки детально. Вперше завдяки техніці візуалізації, яка називається кріоелектронною мікроскопією, її атоми у всій своїй індивідуальності можна було чітко спостерігати. Ці найбільш гострі на сьогоднішній день зображення належать двом командам біохіміків з Інституту біофізичної хімії Макса Планка в Геттінгені, Німеччина, та Лабораторії молекулярної біології Ради медичних досліджень (MRC-LMB) в Кембриджі, Великобританія. . Їхня робота була розміщена на сервері препринтів bioRxiv 22 травня 2020 року (у кількох статтях, основна з яких доступна тут), і передана журналом Nature.

Завдяки такій роздільній здатності дослідники зможуть краще зрозуміти роботу білків на атомному рівні і, таким чином, розробити активні лікарські речовини, які є більш ефективними та з меншою ймовірністю спричиняють побічні ефекти.

Електронна кріомікроскопія, революція з 1980-х років

Широко використовується для спостереження за живими компонентами, такими як клітини, віруси або білки, кріоелектронна мікроскопія або кріо-МЕ, з 1990 року дозволяє отримувати 3D-зображення молекул з дуже високою роздільною здатністю. Ця техніка була настільки революційною, що дослідники, які її розробили або вдосконалили - спочатку швейцарець Жак Дюбоше, потім британець Річард Хендерсон та американець Йоахім Франк - були нагороджені Нобелівською премією з хімії в 2017 році.

Нагадуємо, на відміну від оптичного мікроскопа, який використовує світло, електронний мікроскоп використовує пучок електронів. Прискорений, а потім сконцентрований завдяки лінзам на зразку, промінь дає можливість модифікувати останній і "роздрукувати" його зображення з роздільною здатністю набагато вищою, ніж пропонується звичайним мікроскопом. Застосована до живих об'єктів, ця техніка, однак, не благословенна: електрони погіршують зразки, тим більше, що їх потрібно заздалегідь забарвити або зневоднити. Оскільки вода є основною складовою частиною біомолекул, її видалення не є найбільш рекомендованим для збереження цілісності.

Ось тут і з’являється поняття «кріо», яке заслужило визнання наших трьох дослідників:

Електронна кріомікроскопія, революція з 1980-х років

Тут вступає в дію поняття "кріо", яке заслужило визнання у наших трьох дослідників: Жак Дюбоше та його команда мали ідею дуже швидко заморозити свої зразки при -190 ° C за допомогою етану, охолодженого рідким азотом. Коротше кажучи, заморозити їх у початковому стані в процесі, який називається вітрифікацією (що дозволяє отримати зразок, який не є ні замороженим, ні рідким, а отже, не зміненим зміною стану).

Кілька десятків нанометрів отримали так, що "відкривається цілий Всесвіт"

З 2013 року електронна кріомікроскопія продовжує здійснювати гігантські стрибки, зокрема завдяки експоненціальному розвитку нанотехнологій та програмного забезпечення для аналізу зображень. Досить, щоб отримати білкові структури чіткіші, ніж будь-коли, з роздільною здатністю, майже такою ж доброю, як і у рентгенівської кристалографії. Цей старий метод дозволяє нам визначити структуру білків, вивчаючи їх у кристалізованому вигляді за допомогою дифракції променів. X. Якщо сьогодні, він залишається головним чином дослідниками для візуалізації атомного світу, він представляє головний недолік: для кристалізації білка потрібні місяці, а іноді і роки! Крім того, багато стратегічно важливих з медичної точки зору білків не здатні утворювати працездатні кристали.

Щоб підштовхнути кріо-ЕМ до атомної роздільної здатності, дві команди працювали над апоферрітином, білком, що зберігає залізо. Завдяки своїй еквівалентній гірській стійкості, апоферритин є ідеальним кандидатом для кріо-ЕМ. Врешті-решт дослідники отримали досить точну карту роздільної здатності атома цього білка, щоб ми могли однозначно розпізнати положення його атомів (1,2 ангстрема, або 0,12 нанометра). Для порівняння, останній показник роздільної здатності, досягнутий для білка, становив 1,54 ångström. Після серії маніпуляцій, щоб отримати максимально чітке зображення, сформувалась структура, "настільки повна, що можна було помітити окремі атоми водню як у білку, так і в молекулах води, що оточують", за словами Сьорса Шереса, біолога з MRC-LMB, опитане Nature. "З цією резолюцією кожна половина ангстрема відкриває цілий Всесвіт", - додав Раду Аріцуку з тієї ж лабораторії.

Дослідники також випробували свій метод на спрощеній формі білка, яка називається "рецептором GABAA". Останній міститься в мембрані нейронів, що робить його мішенню вибору для загальних анестетиків або препаратів проти тривоги. Цього разу дослідникам вдалося зіставити його на 1,7 ångström, іноді більше в деяких ключових частинах. Однак це недостатня роздільна здатність для розрізнення атомів. Неважливо: подальші вдосконалення, особливо у способі підготовки зразків білка, незабаром повинні дозволити нам ще більше підвищити рівень нашої близькості з ГАМКК та іншими білками, життєво важливими в медицині.