Ученые обсуждают новые рубежи в исследованиях отдельных молекул на конференции ACS
Благодаря быстрому прогрессу в микроскопии за последнее десятилетие исследователи теперь могут наблюдать транскрипцию отдельного гена с ДНК или активность белковой молекулы внутри живой клетки. Эта революция в наномедицинских исследованиях стала темой двух научных сессий «Рубежи в биофизической химии и визуализации отдельных молекул» на национальном собрании Американского химического общества (ACS) 2006 года в Сан-Франциско.
Свет как инструмент
Одной из главных задач для исследователей, таких как У. Э. Мернер из Стэнфордского университета, является визуализация отдельной молекулы в живой клетке без её повреждения. В 1989 году Мернер и его коллеги в IBM первыми показали, что отдельную органическую молекулу можно обнаружить с помощью оптики.
В исследовании, опубликованном 18 июля в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), Мернер и его коллеги из Стэнфорда пометили отдельные молекулы недавно открытого белка MreB и отследили их движение внутри живых бактерий. С помощью высокочувствительного микроскопа они создали видео в реальном времени и обнаружили, что:
- Отдельные молекулы MreB движутся по клетке случайным образом.
- Некоторые молекулы MreB являются частью филамента (нити), который движется внутри клетки подобно «беговой дорожке».
- Отдельная молекула MreB присоединяется к одному концу филамента и проходит по всей его длине (около 390 нанометров) примерно за минуту, после чего отсоединяется.
Белок MreB критически важен для репликации хромосом и поддержания формы клетки у бактерий и родственен актину — важному белку клеток растений и животных. Понимание его функции может дать важные данные для биомедицинских исследований и стать мишенью для новых антибиотиков.
Нанотехнологии природы
Прогресс в исследованиях отдельных молекул за последние 15 лет был «революционным», отмечает биофизик Стэнфорда Стивен Блок.
В 1993 году Блок и его коллеги первыми наблюдали движение отдельной молекулы кинезина — белка, который переносит жизненно важные грузы по микротрубочкам в клетках. Используя оптическую ловушку, они обнаружили, что кинезин движется дискретными шагами длиной всего 8 нанометров.
К 2005 году разрешающая способность их метода улучшилась с 8 нанометров до 3.4 ангстрем (0.34 нм), что позволило измерять перемещение фермента вдоль ДНК с точностью до диаметра атома водорода. Это даёт возможность наблюдать индивидуальное поведение молекул, а не их усреднённые ансамблевые свойства.
В качестве примера Блок привёл статью в журнале Science от 11 августа, где он и аспирант Уильям Гринлиф представили новый метод секвенирования ДНК с использованием технологии отдельных молекул. Метод основан на измерении времени паузы фермента РНК-полимеразы на каждом нуклеотиде (A, T, G, C), а не на химических реакциях. Стэнфорд планирует лицензировать эту технику.
Изучение отдельных молекул позволяет обнаружить их индивидуальные различия. Поскольку многие болезни вызваны генетическими дефектами, приводящими к аномальному поведению молекул, новые инструменты с высочайшей точностью позволяют задавать новые вопросы о молекулярных механизмах и их нарушениях.