Электронная видеография запечатлела динамику взаимодействия белков и липидов
Исследователи впервые продемонстрировали "электронную видеографию", получив микроскопическое видео тонкого взаимодействия белков и липидов клеточных мембран. Техника позволяет изучать динамику других биомолекул, преодолевая ограничения, которые сводили микроскопию к статичным изображениям фиксированных молекул.
"Мы выходим за рамки одиночных снимков, которые дают структуру, но не динамику, к непрерывной записи молекул в воде, их нативном состоянии", — говорит руководитель исследования Цянь Чен. "Мы можем видеть, как белки меняют конфигурацию и как флуктуирует вся самоорганизованная белково-липидная структура".
Техника и результаты опубликованы в журнале Science Advances.
Электронная микроскопия дает детальные изображения нанометрового масштаба, но часто требует замороженных или фиксированных образцов, что заставляет ученых лишь предполагать, как молекулы движутся и взаимодействуют.
"Впервые мы наблюдаем белок на индивидуальном уровне, не замораживая и не метя его", — говорит профессор Адити Дас. "Мы видим белок таким, какой он есть, в жидкой среде, и наблюдаем, как липиды и белки взаимодействуют друг с другом".
Исследователи достигли видеографии, объединив новый метод просвечивающей электронной микроскопии в водной среде с детальным вычислительным моделированием на атомном уровне. Водная техника включает инкапсуляцию наноразмерных капель в графен, чтобы они выдерживали вакуум микроскопа. Сравнение видеоданных с молекулярными моделями помогает интерпретировать и валидировать экспериментальные данные.
"В настоящее время это действительно единственный экспериментальный способ заснять такое движение во времени", — говорит первый автор статьи Джон У. Смит. "Жизнь — это жидкость и движение. Мы пытаемся экспериментально подобраться к мельчайшим деталям этой связи".
В первом опубликованном исследовании с использованием этой техники ученые изучили нанодиски липидных мембран и их взаимодействие с белками, обычно находящимися на поверхности или внутри клеточных мембран.
"Мембранные белки находятся на границе между клетками и между внутренней и внешней средой клетки. Они являются главными мишенями для лекарств, участвуют во всех процессах: от работы мышц и мозга до иммунного ответа", — отмечает Смит. "Вся сложность работы мембранного белка проистекает не только из его собственной структуры, но и из того, как он взаимодействует с окружающими липидами".
Электронная видеография позволила увидеть не только движение всей липидно-белковой сборки, но и динамику каждого компонента. Исследователи обнаружили в нанодиске четкие области, а также больше флуктуаций и стабильности, чем ожидалось.
Хотя часто предполагается, что влияние движения мембранного белка ограничено непосредственно окружающими его липидными молекулами, исследователи наблюдали более драматичные флуктуации в большем диапазоне. Флуктуации принимали пальцевидную форму. Тем не менее, даже после такого движения нанодиск возвращался к своей нормальной конфигурации.
"Тот факт, что мы увидели эти домены и восстановление после таких процессов, предполагает, что взаимодействия между белком и мембраной имеют больший диапазон, чем принято считать", — говорит Смит.
Исследователи планируют использовать свою технику для изучения других типов мембранных белков, а также других классов молекул и наноматериалов.
"Мы могли бы изучать ионные каналы, которые открываются и закрываются, регулируя поток и межклеточные взаимодействия, с помощью этой платформы", — говорит Чен.