Наші тіла сповнені активності та наповнені білками, які застрягли в жирових мембранах або плавають у водянистих клітинах, то потрапляючи в них, то виходячи з них. Вчені вперше зафіксували танець між ними: рідке танго, в якому білки та жири рухаються так, як вони зазвичай рухаються в клітинах.
“Ми виходимо за рамки окремих знімків, які дають структуру, але не динаміку, і переходимо до безперервного запису молекул у воді в їхньому природному стані”, – каже Цянь Чен, матеріалознавець та інженер з Університету Іллінойсу в Урбана-Шампейн (UIUC), який очолював команду, і описує їхню роботу як “зйомки фільму”.
“Ми дійсно можемо бачити, як білки змінюють свою конфігурацію і, в даному випадку, як вся білково-ліпідна самозбірна структура коливається з часом”.
Налаштувавши широко використовувану техніку візуалізації, яка називається трансмісійною електронною мікроскопією, команда Чена зафіксувала жваву хореографію мембранних білкових “нанодисків” у рідині. Ці нанодиски складаються з білків, вбудованих у ліпідний бішар, що нагадує клітинні мембрани, в яких вони зазвичай знаходяться.
Команда назвала свій метод “електронною відеографією” і перевірила відеодані, порівнявши їх з комп’ютерними моделями на рівні атомів, які показують, як повинні рухатися молекули відповідно до законів фізики.
Вважалося, що рух мембранозв’язаних білків досить обмежений, враховуючи те, як ліпіди утримують їх на місці. Однак дослідники побачили, що взаємодія між білками та ліпідами відбувається на значно більших відстанях, ніж вважалося раніше.
Мембранні білки – це ворота клітини, сенсори та приймачі сигналів, тому цей метод може призвести до величезного прогресу в нашому розумінні того, як вони працюють.
За допомогою існуючих методів білки зазвичай заморожують або кристалізують, щоб вони не рухалися і не розмивали зображення, а також не пошкоджувалися під дією рентгенівських або електронних променів, які використовуються для їх зображення. Це дає неживу картину статичного білка, який зазвичай згортається і згинається, і вченим доводиться робити висновки про те, як він взаємодіє з іншими молекулами, виходячи з його структури.
Крім того, деякі методи візуалізації використовують флуоресцентні молекулярні мітки для відстеження молекул у русі, замість того, щоб спостерігати за білком безпосередньо.
У цьому випадку дослідники помістили краплю води в клітку з двох тонких листів графену, щоб захистити її від вакууму електронного мікроскопа. У краплині води були підвішені нанодиски з немічених білків і ліпідів, які команда спостерігала, як вони “танцюють” разом, як у їхньому природному водному середовищі.
Матеріалознавці вже щонайменше десять років намагаються знімати активність біологічних молекул у рідинах, але їм не вдається чітко спостерігати безперервну динаміку білків.
Дещо змінивши підхід, Чен та його колеги отримали зображення білково-ліпідних асамблей у реальному часі протягом декількох хвилин, а не мікросекунд. Важливо, що вони сповільнили швидкість проникнення електронів у зразок і працювали на графеновому каркасі, щоб успішно зафільмувати білково-ліпідний комплекс у дії.
“Наразі це дійсно єдиний експериментальний спосіб зафільмувати такий рух у часі”, – каже аспірант кафедри матеріалознавства UIUC Джон Сміт, перший автор статті.
“Життя знаходиться в рідині, і воно в русі. Ми намагаємось експериментальним шляхом з’ясувати найдрібніші деталі цього зв’язку”.
Що стосується інших зусиль, то вдосконалені методи візуалізації відкривають неймовірні деталі про всі види мікроскопічних подій – від спостереження за тим, як формується зовнішня оболонка вірусу, до фіксації миттєвого злипання білків у грудочки при таких захворюваннях, як хвороба Альцгеймера.
Додайте до цього штучний інтелект, щоб передбачити тривимірну форму майже кожного білка, відомого науці, і, безумовно, здається, що настала нова ера біологічних досліджень.
