Новый метод анализа данных cryo-EM раскрывает скрытые движения молекул

Исследователи из Центра прикладных структурных открытий Biodesign и Школы молекулярных наук Университета штата Аризона (ASU) разработали новый подход к изучению молекул жизни. Он позволяет исследовать не только их статические структуры с высоким разрешением, но и ключевые динамические движения, которые молекулы совершают при выполнении биологических функций.

Суть метода:

Метод основан на агрессивной повторной обработке данных, полученных с помощью криогенной электронной микроскопии (cryo-EM). Эта техника предполагает мгновенную заморозку молекул в тонком слое льда и последующее получение десятков или сотен тысяч их статических изображений с помощью электронного микроскопа, которые затем собираются в трёхмерную структуру с помощью компьютера.

Прорыв в анализе:

Абишек Сингхарой и его коллеги показали, что из массивов данных cryo-EM можно извлечь ранее скрытую информацию о динамике. Совмещение методов геометрического машинного обучения (пионерами которых являются соавторы Аббас Урмазд и нобелевский лауреат по химии 2017 года Иоахим Франк) с классическим молекулярным моделированием позволило впервые увидеть энергетически возможные молекулярные «фильмы».

«Теперь мы можем видеть пути минимальной свободной энергии от кадра к кадру во время симуляции», — говорит Сингхарой.

Практическое применение:

Метод был продемонстрирован на примере рецептора рианодина типа 1 — важного кальциевого канала, играющего ключевую роль в сокращении скелетных и сердечных мышц. Из примерно 800 000 снимков cryo-EM молекул, «пойманных» в льду, удалось собрать детальные молекулярные «фильмы», показывающие непрерывные конформационные изменения рецептора до и после связывания с активирующими молекулами.

Значение:

Новая техника станет мощным инструментом в таких практических областях, как открытие лекарств, а также поможет решить фундаментальные вопросы молекулярной биологии. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.