Динамическое извлечение 3D-структуры из изображений HS-AFM
Высокоскоростная атомно-силовая микроскопия (HS-AFM), позволяющая напрямую наблюдать биомолекулы в динамике, открыла новое направление в динамической структурной биологии. Множество успешных применений за последние 15 лет дали уникальное представление о важнейших биологических процессах в наномасштабе — например, визуализировали, как молекулярные моторы выполняют свои функции.
Внутреннее ограничение AFM заключается в том, что можно получить только топографию поверхности, а зонд слишком велик для разрешения деталей ниже нанометрового масштаба. Для облегчения интерпретации наблюдений HS-AFM всё более важную роль играют постэкспериментальный анализ и вычислительные методы.
В своём обзоре, опубликованном в Current Opinion in Structural Biology, Хольгер Флехзиг (NanoLSI, Computational Science) и Тошио Андо (заслуженный профессор NanoLSI) дают обзор разработок в этой актуальной области междисциплинарных исследований. Вычислительное моделирование и симуляции уже позволяют реконструировать 3D-конформации с атомарным разрешением из топографических изображений AFM с ограниченным разрешением. Кроме того, методы количественного анализа позволяют автоматически распознавать изменения формы биомолекул по топографическим изображениям или назначать признаки, включая идентификацию аминокислотных остатков на молекулярной поверхности.
Разработанные вычислительные методы часто реализованы в виде ПО с открытым доступом, что позволяет широкому сообществу Bio-AFM удобно применять их для дополнения экспериментальных наблюдений. В этом отношении проект программного обеспечения BioAFMviewer, инициированный в Университете Канадзавы в 2020 году, привлёк значительное внимание и играет важную роль во множестве совместных проектов.
Сочетание HS-AFM и вычислительного моделирования позволит глубже понять, как функционируют белки, вплоть до атомарных деталей. Амбициозная будущая цель — применение молекулярного моделирования для реконструкции молекулярных фильмов с атомарным разрешением из топографических фильмов, полученных методом HS-AFM.