Криоэлектронные микроскопы научились видеть отдельные атомы в белках

Сразу две научные группы сообщили о создании криоэлектронных микроскопов, позволяющих проводить измерения с разрешением 1.2 ангстрема. Такое разрешение дает возможность изучать работу биомолекул на атомарном уровне. Препринты доступны на сайте bioRxiv (1, 2), коротко об этих исследованиях рассказывается в редакционной статье Nature.

Криоэлектронная микроскопия — это форма просвечивающей электронной микроскопии, в которой образец исследуется при низких температурах. Такой подход позволяет естественным образом фиксировать объекты в отличие от рентгеновской кристаллографии, где образец искусственно кристаллизуется. При изучении объекта методами рентгеновской кристаллографии исследователи могут тратить месяцы и годы на то, чтобы заставить кристаллизоваться исследуемую структуру, а многие важные с медицинской точки зрения белки не образуют пригодных для использования кристаллов. Подробнее про криоэлектронную микроскопию и ее плюсы вы можете прочитать в нашем материале «Тени во льду».

Основное применение криоэлектронных микроскопов заключается в исследовании органических структур. В 2017 году Нобелевской премии по химии были удостоены Жак Дюбоше (Jacques Dubochet), Иоахим Франк (Joachim Frank) и Ричард Хендерсон (Richard Henderson) с формулировкой «за развитие криоэлектронной микроскопии высокого разрешения для определения структуры биомолекул в растворах». Однако для понимания работы биомолекул на атомном уровне разрешение современных криоэлектронных микроскопов необходимо улучшить.

22 мая появилось два независимых препринта на сайте biorXiv (1, 2) от группы из Германии под руководством Хольгера Старка (Holger Stark) и группы из Англии под руководством Сторса Шереса (Sjors H.W. Scheres), где были представлены методы определения трехмерной структуры белков с помощью криоэлетронного микроскопа с разрешением до 1.25 и до 1.2 ангстрема соответственно. Такое разрешение позволяет увидеть отдельные атомы в некристаллизованом белке — к примеру, радиус атома водорода 0.5 ангстрем, а золота 1.7 ангстрем.

Обе группы изучали белок апоферритин. Группа Старка изучала структуру белка с помощью установки, которая гарантирует, что электроны, излучаемые микроскопом, перемещаются с одинаковой скоростью перед тем, как попасть на образец — такой метод существенно повышает разрешение изображений. Группа Шереса использовали похожую технологию для поддержания постоянной скорости электронов, более того они применили методы постобработки, которые уменьшают шум от отраженных электронов.

Группа Шереса протестировала построенную измерительную систему на упрощенной форме белка ГАМК_А-рецептора. Этот белок находится в мембране нейронов, именно на него действует анастезия, успокоительные и многие другие лекарства. В прошлом году группа Шереса использовала криоэлектронный микроскоп для изучения этого белка с разрешением 2.5 ангстрема. Используя новую установку, исследователи достигли разрешения в 1.7 ангстрема, с еще более высоким разрешением в некоторых ключевых частях белка (до 1.2 ангстрема). На первый взгляд, разница кажется небольшой, но на таких масштабах десятая доля ангстрема играет решающее значение. 

Метод криоэлектронной микроскопии активно используется учеными. К примеру, с его помощью была установлена структура поверхности вируса Зика, различных белков, в том числе узнающих начало гена, контролирующих циркадные ритмы, обеспечивающих чувствительность клеток к давлению.

Михаил Перельштейн