"Це відкриє новий всесвіт": Революційний метод мікроскопії уперше дозволить побачити окремі атоми

Nature
Nature

Один із найстаріших і авторитетних загальнонаукових журналів.

Кріо-ЕМ карта білка апоферитину Paul Emsley/MRC Laboratory of Molecular Biology

Кріогенна електронна мікроскопія — це новий метод побудови зображення молекул. Дві дослідні групи використали нові способи для отримання картинки структури білків. Вчені у захваті: "Справжня "атомна роздільна здатність". Які можливості дає новий метод?

Про це пише Nature.

Кріоелектронна мікроскопія дозволила подолати важливий бар'єр і в деталях вивчити механізми роботи білків.

Принципово новий метод побудови зображення молекул, відомий як кріоелектронна мікроскопія, дав нам найбільш чітку на сьогодні картинку, і ми вперше отримали змогу розглянути окремі атоми в білку.

Домігшись роздільної здатності атомного масштабу з використанням кріогенної електронної мікроскопії (кріо-ЕМ), вчені зможуть детально вивчити механізми протеїнів і те, як вони влаштовані, що неможливо було зробити іншими методами візуалізації, такими як рентгенівська кристалографія.

Про це революційне досягнення в кінці минулого місяця повідомили дві лабораторії. Воно зміцнить позиції кріо-ЕМ як головного інструменту побудови тривимірних моделей білків, кажуть учені. Зрештою ці структури допоможуть дослідникам зрозуміти, як працюють білки в здоровому і хворому організмі, і дозволять створити більш досконалі ліки без серйозних побічних ефектів.

"Це дійсно знакова подія, в цьому немає сумнівів. Більше нема що відкривати. Це був останній бар'єр деталізації", — говорить біохімік і фахівець з електронної мікроскопії Хольгер Старк (Holger Stark), що працює в німецькому Геттінгені в Інституті біофізичної хімії імені Макса Планка і очолив одне з досліджень. Другим дослідженням керують структурні біологи Сьорс Шерес (Sjors Scheres) і Раду Арическу (Radu Aricescu), що працюють в лабораторії молекулярної біології Ради медичних досліджень в британському Кембриджі. 22 травня обидва дослідження розмістили на сервері препринтів bioRxiv.

Новини за темою: Розкрита таємниця "втраченої" матерії Всесвіту

"Справжня "атомна роздільна здатність" — це найважливіший етап", — говорить структурний біолог Джон Рубінштейн (John Rubinstein) з Університету Торонто в Канаді. Отримати структури багатьох білків у розширенні атомного масштабу все одно буде дуже складно, тому що є чимало інших проблем, таких як трансформованість білків. "Ці дослідження показують, чого можна домогтися, якщо подолати інші обмеження", — відзначає вчений.

Прориваючи межі

Кріоелектронна мікроскопія існує протягом десятиліть. З її допомогою визначають форму швидкозаморожених зразків, вистрілюючи по них електронами і фіксуючи отримані зображення. Досягнення в технологіях виявлення рикошетуючих електронів і у створенні програм аналізу зображень дали поштовх "революції роздільної здатності", яка почалася приблизно в 2013 році. Це дозволило отримати більш чітке зображення білкових структур. Воно виявилося майже таким же, яке дає рентгенівська кристалографія. Це старий метод визначення тривимірної структури біологічних макромолекул за допомогою дифракції кристалізованих білків, які бомбардують рентгенівськими променями.

Нове апаратне і програмне забезпечення дозволило підвищити роздільну здатність кріо-ЕМ. Але для отримання структур в атомній роздільній здатності вченим все одно доводилося вдаватися до рентгенівської кристалографії. Однак на кристалізацію білка потрібні були місяці, а то й роки, а багато важливих з точки зору медицини білків взагалі не створювали придатних для вивчення кристалів. Кріоелектронна мікроскопія ж вимагає лише одного — щоб білок був в очищеному розчині.

Карти атомної роздільної здатності досить точні, щоб однозначно визначити місцезнаходження окремих атомів в білку при розширенні приблизно 1,2 ангстрема (1,2 × 10-10 м). Ці структури допомагають зрозуміти, як працюють ферменти, а таке розуміння дозволяє визначати препарати, що перешкоджають їх активності.

Щоб вивести кріо-ЕМ на рівень атомного розрізнення, два колективи вчених працювали з білком під назвою апоферитин, який зв'язує залізо. Оскільки цей білок незмінно стабільний, його зробили випробувальним стендом для кріо-ЕМ. Раніше рекордом була структура білка з роздільною здатністю 1,54 ангстрема.

Потім вчені скористалися технологічними вдосконаленнями, щоб отримати більш чітке зображення апоферитина. Команда Старка отримала білкову структуру з роздільною здатністю 1,25 ангстрема, використавши прилад, що забезпечує рух електронів з однаковою швидкістю до удару за зразком. Це підвищило роздільну здатність отриманих зображень. Шерес, Арическу і їхні колеги скористалися іншою технологією для обстрілу зразків електронами, що рухаються з однаковою швидкістю. Вони також використовували технологію, що знижує шум після рикошету частини електронів від зразка, і більш чутливу камеру для виявлення електронів. За словами Шереса, їх структура у роздільній здатності 1,2 ангстрема виявилася настільки повною, що вони зуміли розгледіти окремі атоми водню, як у білку, так і в молекулах води, що оточували його.

Старк упевнений, що якщо з'єднати ці технології, то роздільну здатність вдасться довести до одного ангстрема — але не більше. "Із застосуванням кріо-ЕМ опуститися нижче одного ангстрема майже неможливо", — говорить він. Щоб отримати таку структуру за допомогою наявних  передових технологій, треба "кілька сотень років збирати дані, а ще знадобляться величезні обчислювальні ресурси і ємність пам'яті", вважає науковий колектив Старка.

Ясно бачити картину

Шерес і Арическу також випробували свої удосконалення на простій формі білка під назвою ГАМК-рецептори. Цей білок в оболонці нейронів, і саме він зазнає впливу анестетиків загальної дії, транквілізаторів і багатьох інших препаратів. У минулому році група Арическу використовувала кріо-ЕМ, щоб розглянути цей білок з роздільною здатністю 2,5 ангстрема. Але за допомогою нового методу вчені домоглися роздільної здатності 1,7 ангстрема, а в деяких частинах білка вона було ще кращою. "Таке враження, що з очей упала полуда, — говорить Арическу. — При такому розширенні кожні пів ангстрема відкривають цілий всесвіт".

Їм вдалося побачити в білку такі деталі, яких ніхто раніше не бачив, в тому числі молекули води в тій його частині, де знаходиться речовина гістамін. "Це справжня золота жила для створення структурованих препаратів, — говорить Арическу, — тому що вона показує, як препарат може замінити молекули води. Це може привести до появи ліків з меншою кількістю побічних ефектів".

Створити карту ГАМК з роздільною здатністю атомного масштабу буде важко, тому що гамма-аміномасляна кислота (ГАМК) не така стабільна, як апоферитин, каже Шерес. "Я думаю, це можливо, але практично це нереально", — відзначає він. Справа в тому, що доведеться зібрати величезні обсяги даних. Однак інші удосконалення, зокрема у методиці підготовки білкових проб, допоможуть вийти на рівень атомної роздільної здатності структури ГАМК та інших важливих для біомедицини білків. Білкові розчини заморожуються на крихітних решітках із золота, а зміни у цих решітках допоможуть забезпечити ще більшу стабільність білків.

"Всі втішені й захоплені тими справді вражаючими результатами, яких домоглися колективи з Інституту біофізичної хімії імені Макса Планка та лабораторії молекулярної біології Ради медичних досліджень", — говорить фахівець з кріоелектронної мікроскопії з Токійського університету Радостин Данєв (Radostin Danev). Але і він теж згоден з тим, що підготовка зразків з найбільш нестійких білків становитиме серйозну проблему для цієї області досліджень. "Досягти роздільної здатності нижче півтора і навіть двох ангстремів якийсь час можна буде тільки для стійких зразків", — заявляє він.

На думку Шереса, нові досягнення призведуть до того, що кріо-ЕМ стане незамінним інструментом в більшості структурних досліджень. Фармацевтичні компанії, які прагнуть отримати структури в атомному розширенні, з ще більшим бажанням займуться кріоелектронною мікроскопією. Однак Старк вважає, що і рентгенівська кристалографія теж збереже свою привабливість. Якщо білок вдасться кристалізувати (а це велике якщо), то можна буде досить ефективно і швидко створювати його структури, пов'язані з тисячами потенційних препаратів. Але для отримання достатньої кількості даних щодо структур з використанням кріо-ЕМ дуже високої роздільної здатності, як і раніше, знадобляться години і навіть дні.

"По кожному з цих методів є доводи за і проти, — говорить Старк. Люди публікують багато робіт і оглядів, в яких говориться, що останні досягнення в області кріоелектронної мікроскопії прирікають на смерть рентгенівську кристалографію. Але я в цьому сумніваюся".

Юен Келлоуей

За матеріалами: ІноЗМІ

Редакція не несе відповідальності за думку, яку автори висловлюють у блогах на сторінках ZIK.UA

*Якщо Ви знайшли помилку в тексті новини, виділіть її та натисніть Ctrl+Enter.

Loading...