Раскрытие атомарных структур за изображениями АСМ

Атомно-силовая микроскопия (АСМ) позволяет визуализировать динамику отдельных биомолекул в процессе их функциональной активности. Однако все наблюдения ограничены областями, доступными для довольно большого зондирующего острия во время сканирования. Следовательно, АСМ отображает только поверхность биомолекул с ограниченным пространственным разрешением, упуская важную информацию, необходимую для детального понимания наблюдаемых явлений.

Чтобы облегчить интерпретацию экспериментальных изображений, Ромен Амио и Хольгер Флексиг из NanoLSI разработали математический аппарат и вычислительные методы для реконструкции 3D атомарных структур из поверхностных сканов АСМ. В своей недавней исследовательской статье, опубликованной в PLOS Computational Biology (результат сотрудничества с экспериментаторами), они демонстрируют применение методов к изображениям высокоскоростной АСМ — от отдельных молекулярных машин и белковых филаментов до крупномасштабных сборок белковых решёток, — и показывают, как полная атомарная информация углубляет молекулярное понимание по сравнению с топографическими изображениями.

Разработанные методы используют симуляционную АСМ, ранее созданную Амио и Флексигом и распространяемую в составе бесплатного программного пакета BioAFMviewer (PLoS Comput Biol, 2020). Симуляционная АСМ вычислительно эмулирует экспериментальное сканирование биомолекул, переводя структурные данные в симуляционные топографические изображения АСМ, которые можно сравнивать с реальными. Затем была реализована процедура автоматизированной подгонки для идентификации высокоразрешенной молекулярной структуры, стоящей за ограниченным по разрешению экспериментальным изображением АСМ. Таким образом, возможно получить полную 3D атомарную информацию всего лишь из скана поверхности белка, полученного при наблюдениях АСМ.

Для иллюстрации объяснительного потенциала этого достижения Флексиг говорит: «Представьте, что вместо того, чтобы видеть лишь верхушку айсберга, вы теперь можете увидеть всё, что скрыто под водой, вплоть до обнаружения примесей или разницы в плотности внутри его структуры, что помогает объяснить окраску айсберга».

Чтобы поделиться разработками с широким сообществом Bio-AFM, все вычислительные методы встроены в удобный интерактивный интерфейс программного обеспечения BioAFMviewer. Новые методы уже применяются в многочисленных междисциплинарных коллаборациях для помощи в понимании экспериментальных наблюдений.