Оптическая микроскопия с разрешением в ангстремы расшифровывает конформационные состояния отдельных мембранных белков
Способность выполнять сложные задачи, такие как мышление, зрение и осязание, обусловлена работой белков — нанометровых молекул в организме. Однако понимание структуры и функции этих молекулярных машин в клеточной среде остаётся ограниченным.
В новой работе, опубликованной в Science Advances, учёные из Института науки о свете Макса Планка (MPL) показали, что оптическая микроскопия в криогенных условиях может разрешать специфические участки механочувствительного белка PIEZO1 с точностью до ангстрем — даже в нативных клеточных мембранах.
Традиционно структуру белка исследуют методами рентгеновской дифракции (XRD) и электронной микроскопии высокого разрешения. Первый метод обладает отличным разрешением, но требует кристаллизации белков. Второй можно применять на уровне отдельных белков, но он имеет слабый контраст и плохо работает, когда белок окружён другими биомолекулами.
Оптическая микроскопия образцов, сохранённых в близком к нативному состоянию, представляет собой перспективную альтернативу, поскольку может достигать ангстремной точности. Эту методику исследует группа из отдела нанооптики под руководством директора MPL профессора Вахида Сандогдара. Методологический прорым особенно важен для изучения мембранных белков, которые находятся на поверхности клеток и действуют как сенсоры и коммуникаторы.
Один из таких белков, PIEZO1, играет ключевую роль в осязании и восприятии силы у млекопитающих. Предыдущие исследования с помощью криоэлектронной микроскопии (cryo-EM) показали, что PIEZO1, реконструированный в синтетической мембране, образует трёхлопастную куполообразную структуру, изгибающую мембрану.
В новой работе исследовательская группа пометила белок флуоресцентными маркерами и смогла визуализировать его в близком к нативному состоянию в клеточной мембране при температуре 8 K. Эксперимент позволил выявить несколько различных конфигураций лопастей PIEZO1, пролив свет на то, как белок изгибается и расширяется в ответ на механические стимулы.
«Ключевым нововведением была быстрая заморозка в жидком криогене — процесс настолько быстрый, что молекулы воды не кристаллизуются, сохраняя структуру белка неповреждённой», — заявил первый автор работы доктор Хишам Мазал. Шоково-замороженный образец необходимо было перенести в криостат, в котором размещался микроскоп, обеспечив его постоянное охлаждение и защиту от контакта с воздухом.
«Для этого нам пришлось разработать и построить сложный аппарат, включающий криогенный оптический микроскоп и специальный вакуумный шлюз», — сказал профессор Сандогдар.
Этот подход не только сохраняет нативную структуру белка и окружающей его мембраны, но и значительно продлевает срок службы флуоресцентных маркеров, что позволяет собрать гораздо больше фотонов от каждой флуоресцентной молекулы.
«Это позволяет нам определять положение каждой молекулы с замечательной точностью всего в несколько ангстрем, что соответствует диаметру нескольких атомов», — продолжил Сандогдар.
В будущем команда планирует объединить эту технику с высокоразрешающей cryo-EM. «Это развитие открывает новый рубеж в структурной биологии и приближает нас на важный шаг к количественному пониманию молекулярной машинерии жизни», — подчеркнул доктор Мазал.