Наше удивительное умение выполнять сложные задачи
Наши поразительные способности к выполнению сложных задач, таких как мышление, наблюдение и осязание, обусловлены белками — крошечными молекулами размером в нанометры в организме. Несмотря на десятилетия исследований, наше понимание структуры и функции таких молекулярных машин в клеточной среде остаётся ограниченным.
Новый прорыв в изучении мембранных белков
В новой работе, опубликованной в журнале Science Advances, учёные из Института науки о свете Общества Макса Планка (MPL) показывают, что оптическая микроскопия в криогенных условиях может с точностью до ангстрема разрешить специфические участки внутри механочувствительного белка PIEZO1 — даже в нативных клеточных мембранах.
Традиционно структуру белков изучали с помощью таких методов, как рентгеновская дифракция и высококачественная электронная микроскопия. Первая имеет отличное разрешение, но требует кристаллизации белков. Последний метод можно проводить на уровне отдельных белков, но он имеет слабый контраст и плохо работает, когда белок окружён другими биомолекулами.
Оптическая микроскопия образцов, сохранённых в их почти нативном состоянии, представляет собой многообещающую альтернативу, поскольку может достигать точности в ангстремах. Этим занимается группа из отдела нанооптики под руководством директора MPL профессора Вахида Сандогхдара.
Изучение мембранных белков
Мембранные белки, которые располагаются на поверхности клеток и действуют как датчики и коммуникаторы, особенно важны для изучения. Один из таких белков, PIEZO1, играет решающую роль в ощущении прикосновения и силы у млекопитающих. Предыдущие исследования с использованием криоэлектронной микроскопии (cryo-EM) показали, что PIEZO1, восстановленный в синтетической мембране, образует структуру с тремя лезвиями, напоминающую купол, которая изгибает мембрану.
В новой работе исследовательская группа пометила белок флуоресцентными маркерами и смогла визуализировать его в почти нативном состоянии в клеточной мембране при температуре 8 К. Эксперимент позволил команде обнаружить несколько различных конфигураций лезвий PIEZO1, проливая свет на то, как белок изгибается и расширяется в ответ на механические стимулы.
«Ключевым нововведением стало быстрое замораживание в жидком криогене — процесс настолько быстрый, что молекулы воды не кристаллизуются, сохраняя при этом структуру белка», — заявил первый автор, доктор Хишам Мазал.
Для достижения этого команде пришлось разработать и создать сложный аппарат, включая криогенный оптический микроскоп и специальный вакуумный шаттл, — рассказал профессор Сандогхдар.
Этот подход не только сохраняет нативную структуру белка и окружающей его мембраны, но и значительно продлевает срок службы флуоресцентных маркеров, позволяя собирать гораздо больше фотонов от каждой флуоресцентной молекулы.
«Это позволяет нам определять положение каждой молекулы с поразительной точностью в несколько ангстрем, что соответствует диаметру нескольких атомов», — продолжил Сандогхдар.
В будущем команда планирует объединить эту технику с крио-ЭМ высокого разрешения. «Эта разработка открывает новые горизонты в структурной биологии и приближает нас на важный шаг к количественному пониманию молекулярного механизма жизни», — подчеркнул доктор Мазал.
Предоставлено Институтом науки о свете Общества Макса Планка.