Wideografia elektronowa rejestruje taniec białka i tłuszczu

CHAMPAIGN, Illinois – Podczas pierwszej demonstracji „elektronowego obrazowania wideo” badacze uchwycili ruchomy obraz mikroskopowy delikatnego tańca pomiędzy białkami i lipidami w błonach komórkowych. Technikę tę można zastosować do badania dynamiki innych biomolekuł, uwalniając się od ograniczeń statycznej mikroskopii obrazowej nieruchomych cząsteczek, twierdzą naukowcy z Uniwersytetu Illinois Urbana-Champaign i współpracownicy z Georgia Institute of Technology.

„Wykraczamy poza zwykłe robienie pojedynczych zdjęć, które nadają strukturę, ale nie dynamikę, ale stale rejestrujemy cząsteczki w wodzie i ich pierwotny stan” – powiedział kierownik badania. Qian Chenaprofesor z Illinois Nauka o materiałach i inżynieria. „Naprawdę możemy zobaczyć, jak białka zmieniają swoją konformację, a w tym przypadku jak samoorganizująca się struktura białkowo-lipidowa zmienia się w czasie”.

Naukowcy wspomniany Ich techniki i wyniki opublikowano w czasopiśmie Science Advances.

Techniki mikroskopii elektronowej umożliwiają obraz na poziomie molekularnym lub atomowym, dając szczegółowe obrazy w skali nanometrowej. Często jednak opierają się na próbkach, które zostały zamrożone lub unieruchomione, przez co naukowcy muszą spróbować wywnioskować, w jaki sposób cząsteczki poruszają się i wchodzą w interakcje – co przypomina próbę odwzorowania choreografii sekwencji tanecznej na podstawie pojedynczej klatki filmu.

„Po raz pierwszy przyjrzeliśmy się białku w skali indywidualnej, ale nie zamroziliśmy go ani nie oznakowaliśmy” – powiedział profesor Georgia Tech. Aditi Das, autor odpowiedniego badania. „Zwykle musimy krystalizować lub zamrażać białko, co stwarza wyzwania w przypadku wykonywania obrazów elastycznych białek o wysokiej rozdzielczości. Alternatywnie, niektóre techniki wykorzystują śledzony znacznik molekularny, zamiast obserwować samo białko, które obserwujemy w tym badaniu białko takie, jakie jest, zachowujące się tak, jak w środowisku płynnym, i widzi, jak tłuszcze i białka oddziałują ze sobą.

Naukowcy uzyskali obrazowanie wideo, łącząc metodę transmisyjnego mikroskopu elektronowego na bazie wody ze szczegółowym modelowaniem obliczeniowym na poziomie atomu. Technika oparta na wodzie polega na kapsułkowaniu kropelek w skali nanometrowej w grafenie, dzięki czemu mogą wytrzymać próżnię, w której działa mikroskop. Porównanie uzyskanych danych wideo z modelami molekularnymi, które pokazują, jak rzeczy powinny się poruszać w oparciu o prawa fizyki, pomaga badaczom nie tylko zinterpretować dane eksperymentalne, ale także je zweryfikować.

„Obecnie jest to jedyny eksperymentalny sposób obrazowania tego typu ruchu w czasie” – powiedział John W. Smith, pierwszy autor artykułu, który ukończył tę pracę podczas studiów magisterskich w Illinois. „Życie jest płynne, jest w ruchu. Próbujemy dotrzeć do najdrobniejszych szczegółów tego połączenia w sposób eksperymentalny”.

W ramach nowego badania — będącego pierwszą opublikowaną demonstracją techniki elektronicznego obrazowania wideo — naukowcy zbadali nanodyski z błoną lipidową i ich interakcję z białkami zwykle znajdującymi się na powierzchni błon komórkowych lub w nich osadzonymi.

„Białka błonowe znajdują się na styku komórek oraz między wnętrzem a zewnętrzem komórki i kontrolują to, co wchodzi i wychodzi” – powiedział Smith. „Są ogromnym celem medycyny; biorą udział w różnego rodzaju procesach, takich jak kurczenie się naszych mięśni, działanie naszego mózgu i rozpoznawanie przez układ odpornościowy; wiążą także ze sobą komórki i tkanki wynika nie tylko z jego specyficznej struktury, ale także ze sposobu, w jaki wchodzi w interakcję z otaczającym ją tłuszczem.

Elektronowe obrazowanie wideo pozwoliło naukowcom zobaczyć nie tylko ruch całego zestawu lipoprotein, ale także dynamikę każdego składnika. Naukowcy odkryli, że w nanodysku istnieją odrębne obszary, które są bardziej zmienne i stabilne, niż oczekiwano.

Chociaż często zakłada się, że wpływ ruchu białka błonowego ogranicza się do bezpośrednio otaczających je cząsteczek lipidów, badacze zaobserwowali bardziej dramatyczne wahania na większą skalę, powiedział Smith. Fluktuacje przybrały kształt palców, jak szlam rozpryskany na ścianie. Jednak nawet po tym dramatycznym ruchu nanodysk powróciłby do swojego normalnego kształtu.

„Fakt, że zaobserwowaliśmy te domeny i widzieliśmy, jak regenerują się po tych procesach, sugeruje, że interakcje między białkiem a błoną mają w rzeczywistości większy zakres, niż tradycyjnie sądzono” – powiedział Smith.

Naukowcy planują wykorzystać technikę elektronowego obrazowania wideo do badania innych typów białek błonowych oraz innych klas cząsteczek i nanomateriałów.

„Za pomocą tej platformy możemy badać kanały jonowe, które otwierają się i zamykają, aby regulować przepływ i interakcje między komórkami” – powiedział Chen. „Poświęcenie tej platformy układom biologicznym jest bardzo ryzykowne i wymaga lat wysiłku. Jesteśmy niezmiernie wdzięczni za wsparcie ze strony Programu Biofizyki w Biurze Badań Naukowych Sił Powietrznych, który stoi za każdym postępem w platformie. Było to niezbędne do naszego sukcesu.”

Qian Chen jest również powiązany z wydziałem chemia, Beckman Instytut Zaawansowanej Nauki i Technologii, Carle Illinois College of Medicine I Laboratorium Badań Materiałowych W Illinois.