Электронный микроскоп запечатлел «танец» белков и липидов (видео)

В ходе первой демонстрации электронной видеосъемки ученые запечатлели взаимодействие микроскопических белков и липидов в клеточных мембранах, пишет Phys.org. Эту технику можно использовать для изучения динамики других биомолекул, которые раньше было трудно наблюдать из-за ограничений микроскопии неподвижными изображениями фиксированных молекул, говорят исследователи из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне и сотрудники Технологического института Джорджии.

«Мы выходим за рамки отдельных снимков, дающих структуру, но не динамику, и переходим к постоянной регистрации молекул в воде, в их естественном состоянии, — говорит руководитель исследования Цянь Чен, профессор материаловедения и инженерии из Иллинойса. — Мы действительно можем видеть, как белки меняют свою конфигурацию и как вся белково-липидная самосборная структура колеблется с течением времени».

Методы электронной микроскопии позволяют получать изображения на молекулярном или атомном уровне, создавая подробные изображения нанометрового масштаба. Однако они часто полагаются на образцы, которые до наблюдения были заморожены или как-либо иначе зафиксированы на месте. В итоге ученые должны сами додумывать, как молекулы движутся и взаимодействуют — это похоже на попытку отобразить хореографию танцевальной сцены на основе одного кадра фильма.

«Это первый раз, когда мы смотрим на белок в индивидуальном масштабе, не замораживая и не маркируя его, — уточняет профессор Технологического института Джорджии Адити Дас, соавтор исследования. — Обычно нам приходится кристаллизовать или замораживать белок, что создает проблемы при получении изображений гибких белков с высоким разрешением. <...> В этом исследовании мы видим белок таким, какой он есть и как он ведет себя в жидкой среде. Еще мы видим, как липиды и белки взаимодействуют друг с другом».

Видеосъемку получилось создать, объединив новый метод просвечивающей электронной микроскопии на водной основе с детальным компьютерным моделированием на уровне атомов. Технология на основе воды предполагает помещения капель нанометрового размера в графен, чтобы они могли выдерживать вакуум, в котором работает микроскоп. Сравнение полученных видеоданных с молекулярными моделями позволит ученым не только интерпретировать, но и проверять свои экспериментальные данные.

В новом исследовании — первой опубликованной демонстрации метода электронной видеосъемки — ученые исследовали наноразмерные диски липидных мембран и то, как они взаимодействуют с белками, обычно находящимися на поверхности клеточных мембран или встроенными в них.

«Мембранные белки находятся на границе между клетками, а также между внутренней и внешней частью клетки, контролируя то, что входит и выходит, — говорит один из авторов статьи Джон В. Смит. — Они участвуют во всех видах процессов, включая сокращение мышц, работу мозга, иммунное распознавание; и они удерживают клетки и ткани вместе».

Электронная видеосъемка позволила исследователям увидеть не только то, как движется вся липидно-белковая сборка, но и динамику каждого компонента. Они обнаружили, что внутри наноразмерного диска липидных мембран есть отдельные области, в которых больше колебаний и стабильности, чем считалось ранее.

Хотя часто предполагается, что влияние движения мембранного белка ограничивается молекулами липидов, непосредственно окружающими его, исследователи увидели более резкие колебания в широком диапазоне. В период наблюдения колебания приняли форму разбрызганной кляксы или слизи. Однако даже после такого резкого движения нанодиск вернулся к своей нормальной конфигурации.

Ученые планируют использовать свою технику электронной видеосъемки для изучения других типов мембранных белков и различных классов молекул и наноматериалов. «С помощью этой технологии мы могли бы изучать ионные каналы, которые открываются и закрываются, чтобы регулировать поток и межклеточные взаимодействия», — заключают специалисты.

Ранее физики открыли новое квантовое состояние в элементарном твердом теле.