Исследователи предсказывают размещение белков на подложках для атомно-силовой микроскопии
Исследователи из Университета Канадзавы сообщают в Frontiers in Molecular Biosciences о вычислительном методе для предсказания размещения белков на подложках АСМ на основе электростатических взаимодействий.
Наблюдение биомолекулярных структур с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ) и прямое визуализация функциональной конформационной динамики в экспериментах с высокоскоростной АСМ (HS-AFM) значительно продвинули понимание биологических процессов в наномасштабе.
В экспериментах биологический образец осаждается на опорную поверхность (подложку АСМ) и сканируется зондом для определения молекулярной формы и её динамических изменений. Наблюдение динамики белков под HS-AFM — это тонкий баланс между иммобилизацией структуры на подложке и предотвращением слишком сильных возмущений от этой иммобилизации.
Процесс размещения биомолекулярного образца на подложке и контроля его правильного прикрепления — это вызов в самом начале каждого наблюдения АСМ. Путём изменения химического состава буфера можно модифицировать взаимодействия между образцом и подложкой. Такие модификации поверхности часто критически важны для успешных наблюдений АСМ белковых структур и их функциональных движений. Однако молекулярная ориентация образца изначально неизвестна и из-за ограничений пространственного разрешения изображений её трудно определить при последующем анализе.
Ромен Амио, Нориюки Кодера и Хольгер Флексиг из Университета Канадзавы разработали физическую модель для предсказания размещения биомолекулярных структур на подложках АСМ на основе электростатических взаимодействий. Метод учитывает подложки, обычно используемые в экспериментах АСМ (слюда, APTES-слюда, липидные бислои), и принимает во внимание условия буфера.
В компьютерных симуляциях производится выборка большого количества возможных молекулярных расположений на подложке АСМ, и путём оценки соответствующих энергий взаимодействия определяется наиболее благоприятное размещение. Кроме того, анализ позволяет предсказывать стабильность визуализации при сканировании зондом.
Авторы приводят несколько примеров применения нового метода и получают замечательное согласие предсказаний модели с предыдущими экспериментами по HS-AFM-визуализации белков. Результаты могут объяснить, например, почему наблюдения HS-AFM эндонуклеазы Cas9 (белка, играющего ключевую роль в приложениях генной инженерии) могут надёжно визуализировать функциональные относительные движения целевой ДНК и Cas9 и захватывать события расщепления ДНК на уровне одной молекулы.
Кроме того, как продемонстрировано на примере приводимой АТФ шаперонной машины ClpB, модель может объяснить, как условия буфера влияют на стабильность комплекса образец-подложка, и подтвердить наблюдения предыдущих экспериментов HS-AFM.
Таким образом, новый метод позволяет использовать огромный массив доступных структурных данных о биомолекулах для предсказания размещения образца на подложках АСМ ещё до проведения реального эксперимента, а также может применяться для последующего анализа данных АСМ-визуализации.
Разработанный метод реализован в рамках свободно доступного программного пакета BioAFMviewer, предоставляющего удобную платформу для применения широким сообществом BioAFM.