На обложке статьи – визуализация молекулы белка апоферритина, полученная путем криоэлектронной микроскопии.
Криоэлектронная микроскопия (крио-ЭМ) – новаторская технология получения трехмерных изображений молекул – вышла на беспрецедентно высокий уровень разрешения, впервые в своей истории выделив отдельные атомы белка.
Исследование апоферритина
Это историческое достижение удалось двум группам ученых из Германии и Соединенного Королевства. Результаты исследований были опубликованы на сервере препринтов bioRxiv 22 мая.
Чтобы вывести крио-ЭМ на уровень атомарного разрешения обе команды провели опыты над белком апоферритина, который связывает железо. Выбор ученых пал именно на этом белке из-за чрезвычайно высокой стабильности его молекул. Группа из Великобритании (а это ученые под руководством Сьорса Шереса и Совет Арическу, структурных биологов Лаборатории молекулярной биологии Совета медицинских исследований в Кембридже) использовала технологию, снижающую уровень шума от отдельных электронов, которые не попали в молекулу белка, а также более чувствительную камеру для обнаружения электронов.
Как результат, ученые совершили настоящий научный прорыв и получили четкие изображение структуры молекулы белка методом крио-ЭМ: немецкий коллектив (под руководством Хольгера Штарка, биохимика и электронного микроскопистов из Института биофизической химии им. Макса Планка в Геттингене) – с разрешением 1,25 ангстрем (1 ангстрем составляет 10 -10 метра или одну десятимиллионную часть миллиметра), а коллектив Шереса и Арическу – с разрешением 1,2 ангстрем, что позволило увидеть отдельные атомы водорода не только самого апоферритина, но и молекул воды вокруг него. Предыдущий рекорд разрешения изображения структуры белка составил 1,54 ангстрем.
Исследование ГАМК А рецепторов
Кроме того, Шерес и Арическу также испытали свой усовершенствованный метод крио-ЭМ для исследования упрощенной формы белка рецептора гамма-аминомасляной кислоты (ГАМК А рецепторов), который находится в мембране нейронов и служит мишенью для общих анестетиков, успокаивающих лекарств и многих других препаратов. В прошлом году группа Арическу визуализировали структуру этого белка с разрешением в 2,5 ангстрем, однако сейчас, применив улучшенную технологию, ученым удалось получить изображение с разрешением в 1,7 ангстрем.
Увеличение разрешения даже на пол ангстрем настолько расширяет представление об исследуемом белке, что ученые сравнивают это с открытием новой Вселенной. Так, полученная Шересом и Арическу структура ГАМК А рецептора обнаружила ранее невиданные детали этого белка, в частности, молекулы воды в «карманах», где находится гистамин. Это открытие имеет важное значение для структурно-ориентированного конструирования лекарств, поскольку показывает, как лекарства могут вытеснять молекулы воды, открывает путь для создания медицинских препаратов с меньшим количеством побочных эффектов.
Понятие крио-ЭМ и история ее развития
Крио-ЭМ – это технология, позволяющая определить структуру быстрозамороженных образцов веществ, обстреливая их электронами и записывая полученные в результате этого изображения. Возникла она несколько десятилетий назад и за время своего существования претерпела существенного прогресса. Если в начале 2000-х годов максимальное разрешение изображений, полученных с применением крио-ЭМ, составляла примерно 10 ангстрем (т.е. 1 нанометр), то сегодня она достигла атомарного уровня в около 1,2 ангстрем.
Снимок апоферритина с разрешением 1,2 ангстрем, полученный с помощью крио-ЭМ:
Начало «революции разрешения» пришлось ориентировочно на 2013 год, чему способствовал развитие технологии обнаружения отраженных электронов и программного обеспечения для анализа изображений. Благодаря этому изображение структур белков, полученных с помощью крио-ЭМ, существенно приблизились по четкостью к изображениям, полученным методом рентгеноструктурного анализа – более древней технологии, создающей визуализации структур с дифракционной картинами, возникающих в результате бомбардировки белковых кристаллов рентгеновскими лучами. Однако, несмотря на дальнейшее совершенствование аппаратуры и программного обеспечения крио-ЭМ и, соответственно, уменьшения смазывания, для получения структур молекул с атомарной разрешением ученые все же были вынуждены полагаться преимущественно на рентгеноструктурный анализ.
Начало гегемонии крио-ЭМ
Научный прорыв, осуществленный лабораториями Штарка, Шереса и Арическу, выводит крио-ЭМ на видное место среди технологий для получения изображений трехмерных структур белков и большинства структурных исследований в целом, считают ученые. Ключевым преимуществом крио-ЭМ является то, что для нее нужен только очищенный раствор испытуемого белка, в то время как для структурного анализа белок необходимо кристаллизовать, что может занять месяцы или даже годы, а многие из весомых белков для медицины вообще не образуют пригодных для изучения кристаллов.
Визуализация достаточно точная, чтобы однозначно определить местонахождение отдельных атомов в молекуле белка, при разрешении около 1,2 ангстрем. Впервые преодолев этот барьер, крио-ЭМ открывает возможности для беспрецедентно детального изучения механизма работы белков, которые сложно исследовать с применением других технологий, в частности рентгеноструктурного анализа.
С большой вероятностью крио-ЭМ будет пользоваться большим спросом среди фармацевтических компаний, которым понадобятся структуры молекул с атомарной разрешением. Эти структуры помогут исследователям изучить работу ферментов и определить препараты для блокирования их активности, а также понять, как функционируют белки в здоровом и больном организмах, что позволит усовершенствовать лекарственные средства, минимизировав их побочные эффекты.
Предел возможностей крио-ЭМ
Соединив наработки лаборатории Штарка и группы Шереса и Арическу, потенциально можно повысить разрешение крио-ЭМ до около 1 ангстрем, но не слишком дальше. Достижения разрешения в менее 1 ангстрем, хотя и можно допустить в теории, однако на практике невозможно. Получение с помощью крио-ЭМ настолько детальной структуры молекулы даже с использованием современных передовых технологий займет несколько сотен лет, необходимых для сбора данных, и может требовать колоссального количества вычислительных ресурсов и емкости памяти.
Исследования:
Средняя переносимая доза арахиса увеличилась в 100 раз за время испытания. Первое клиническое испытание, в… Читать далее
Ученые разработали новое перспективное соединение, которое может изменить методы лечения таких заболеваний, как шизофрения, используя… Читать далее
В 2022 году группа болгарских ученых провела исследование, посвященное анализу биологически активных добавок (БАД), предназначенных… Читать далее
Российские пропагандисты удвоили объем дезинформации за счет использования искусственного интеллекта, сохранив при этом убедительную силу… Читать далее
Два года назад вышла статья на нашем сайте про исследование, которое показало, что "КБД не… Читать далее
Большая птица-лира, или обыкновенный лирохвост (Menura novaehollandiae) - вид , который переворачивает всю лесную подстилку примерно… Читать далее