Прорыв в криоэлектронной микроскопии позволяет увидеть жизнь на атомном уровне

Исследователи из UCSF недавно получили детальные изображения белка в момент связывания с новым терапевтическим препаратом. Разрешение снимков позволило смоделировать взаимное расположение отдельных атомов белка и лекарства.

Ещё недавно такое достижение считалось невозможным. Однако за последние пять лет подобные прорывы стали почти обычным делом в UCSF — это часть «революции разрешения», которую возглавляют местные учёные.

Благодаря последним достижениям в области криоэлектронной микроскопии (cryo-EM) — метода, изобретатели которого были удостоены Нобелевской премии по химии 2017 года — исследователи добились быстрого прогресса в поиске более точных и мощных методов лечения широкого спектра заболеваний человека.

Белки — это крошечные молекулярные машины, которые обеспечивают все функции наших клеток, и они же являются основными мишенями для фармацевтических препаратов. Понимание работы новых белков может привести к созданию спасительных методов лечения рака или новых обезболивающих с меньшим риском развития зависимости.

Но чтобы по-настоящему понять, как функционируют белки, исследователи должны визуализировать их в атомном масштабе. Раньше это требовало кропотливого выращивания кристаллов белка — процесс, который мог занять годы, — с последующим просвечиванием кристаллов рентгеновскими лучами для определения атомного состава белка. К сожалению, многие наиболее интересные белки и их комплексы невозможно кристаллизовать.

Cryo-EM существует с 1970-х годов, но с 2013 года технические усовершенствования, разработанные в том числе Дэвидом Агардом (David Agard, PhD) и Ифанем Ченом (Yifan Cheng, PhD) из UCSF, кардинально улучшили способность cryo-EM разрешать как мельчайшие, так и самые сложные белки в потрясающих деталях. Это превратило электронный микроскоп из устаревшего рабочего инструмента в новейшую научную суперзвезду почти в одночасье.

Это возрождение cryo-EM было стимулировано усилиями Агарда и Чена по разработке аппаратного и программного обеспечения для камер, способных детектировать отдельные электроны — цель, долгое время считавшаяся в этой области непрактичной. Достичь её удалось, объединив усилия учёных и инженеров из UCSF, Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли и компании Gatan (Плезантон, Калифорния), производящей камеры для ЭМ.

«Ещё недавно вся область считала, что подсчёт отдельных электронов никогда не сработает, — вспоминает Чен. — Но в UCSF культура поощряет нас делать то, что все остальные считают невозможным».

Несмотря на скептицизм многих коллег, Агард и Чен — оба являются профессорами биохимии и биофизики в UCSF и исследователями Медицинского института Говарда Хьюза (Howard Hughes Medical Institute) — осознали, что захват отдельных электронов критически важен для способности электронных микроскопов разрешать ключевые биологические белки с достаточной детализацией, чтобы учёные могли понять их функцию.

«Речь идёт не просто о том, чтобы видеть белки немного чётче, — пояснил Агард. — Существует точный момент, когда вы переходите от видения довольно бесполезных пятен к возможности напрямую интерпретировать структуру молекулы. Камеры, считающие электроны, действительно обеспечили квантовый скачок в нашей способности понимать химическую основу белка — как он функционирует и как можно разработать препараты, которые связываются с ним».

С момента их первой прорывной публикации в 2013 году, продемонстрировавшей, что новые камеры и программное обеспечение могут разрешать белки с почти атомарным разрешением, технология получила широкое распространение в этой области. Она также позволила добиться значительных успехов в собственных исследованиях Чена и Агарда: от понимания белков, ключевых для ощущения боли (которые могут стать мишенью для нового поколения фармацевтических препаратов), до открытий о том, как белки сохраняют свою правильную форму (что имеет большое значение для рака и таких заболеваний, как болезнь Альцгеймера, которые характеризуются деформированными белками).

Ещё один ведущий исследователь cryo-EM в UCSF, Адам Фрост (Adam Frost, MD, PhD), который присоединился к университету в качестве доцента в 2014 году, чтобы использовать возможности этой новой технологии, возглавляет усилия по применению cryo-EM для определения того, как новые классы препаратов связываются со своими белками-мишенями на атомном уровне.

«Cryo-EM теперь позволяет нам изучать белки с уровнем детализации, который был бы просто невозможен всего несколько лет назад», — сказал Фрост.

Фрост и Чен также используют cryo-EM, чтобы понять, как на сигнальные белки на поверхности клеток — ключевые мишени для фармацевтических препаратов от обезболивающих до противораковой терапии — влияют клеточные мембраны, в которых они находятся, и как белки могут изгибать и формировать мембраны. Примечательно, что возможность исследовать структуру белков в их естественных мембранах — что также считалось в этой области невозможным — была впервые достигнута Ченом в 2016 году.

Недавняя работа с cryo-EM была настолько успешной, что многие исследователи в UCSF начали требовать доступа к ограниченному времени на общих микроскопах. К счастью, с приобретением в этом году новых полностью автоматизированных криоэлектронных микроскопов, включая систему Titan Krios стоимостью 5 млн долларов (финансируется Howard Hughes Medical Institute), систему Titan Krios за 6 млн долларов (финансируется анонимным донором для Института нейродегенеративных заболеваний UCSF, входящего в Институт нейронаук UCSF Weill) и систему Arctica за 3 млн долларов (финансируется Национальными институтами здравоохранения и UCSF), всё больше исследователей по всему университету и в районе залива смогут вывести свои исследования на новый уровень.

Агард видит революцию в области cryo-EM как тесно связанную с другими развивающимися усилиями в кампусе по полному картированию биологии заболеваний. Например, с работой Невана Крогана (Nevan Krogan, PhD), директора Института количественных биологических наук UCSF, который картирует общие сети генов и белков, лежащие в основе заболеваний от рака до ВИЧ и шизофрении; и работой Брайана Шойхета (Brian Shoichet, PhD), чья лаборатория в Школе фармации UCSF использует структуры белков для компьютерного дизайна индивидуальных препаратов, которые подходят к белкам-мишеням, как ключ к замку.

«В UCSF создаётся удивительно интегрированный конвейер, где новые технологии и подходы взаимно обогащают друг друга, продвигая наши знания о биологии заболеваний на каждом уровне, — сказал Агард. — Это начинает оказывать огромное влияние по всему кампусу, но теперь нам нужно масштабировать его, чтобы снизить барьеры и ускорить переход от изображений к методам лечения».