Магнитный резонанс делает невидимое видимым

Исследователи во главе с Деннисом Курцбахом из Химического факультета Венского университета опубликовали в Nature Protocols усовершенствованный метод ЯМР (ядерного магнитного резонанса) для наблюдения за быстрыми и сложными биомолекулярными процессами, такими как сворачивание белка.

Сворачивание белка долгое время считалось одной из великих загадок современной науки. Этот ключевой процесс, в ходе которого цепь аминокислот приобретает 3D-структуру и функциональность, происходит за миллисекунды. Из-за такой скорости события сворачивания часто не удавалось охарактеризовать с помощью спектроскопии ЯМР — стандартного метода изучения молекулярных структур. Используя гиперполяризованную воду, исследователи разработали метод, который значительно усиливает сигналы белков, нуклеиновых кислот и других биомолекул. Это делает возможным наблюдение таких процессов, как сворачивание белка.

Включение ЯМР в реальном времени

С помощью спектроскопии ЯМР исследователи могут измерять магнитные свойства атомов и, таким образом, анализировать атомную структуру молекул в растворе. Метод Денниса Курцбаха и его коллег Кристиана Хильти (США) и Лучио Фридмана (Израиль) основан на ЯМР и позволяет отслеживать биологические процессы в реальном времени. Использование гиперполяризованной воды значительно усиливает ЯМР-сигналы исследуемых образцов и, следовательно, повышает чувствительность метода.

С помощью методов гиперполяризации, а именно диссолюционного ДЯП (D-DNP), возможно усиление сигнала более чем в 10 000 раз. «Гиперполяризованная вода действует как усилитель для ЯМР-сигналов белка во время измерения. Ядра водорода гиперполяризованной воды обмениваются с ядрами белков, передавая им силу сигнала», — объясняет Деннис Курцбах из Института биологической химии.

С новым методом исследователи могут записывать спектр ЯМР каждые 100 миллисекунд и использовать его для отслеживания 3D-координат отдельных аминокислот и их изменения во времени. «Это позволяет нам отслеживать процессы, происходящие за миллисекунды, и различать отдельные атомы», — говорит химик Деннис Курцбах.

Растущее применение ЯМР для анализа белков

В своей работе авторы подробно описывают свою технику: от гиперполяризации до переноса гиперполяризованной воды в спектрометр ЯМР, смешивания её с образцом и проведения ЯМР-измерения.

Кроме того, они представляют шесть примеров применения метода, включая наблюдение за сворачиванием белка или даже взаимодействиями РНК и РНК-связывающих белков как основы для экспрессии генов в клетке. По словам учёных, новый метод можно использовать для специфических исследований РНК, ДНК и полипептидов, особенно когда усиление сигнала достигает «магического» числа в 1000 раз.

Для ЯМР, усиленного гиперполяризованной водой, необходим спектрометр ЯМР, оснащённый прототипом для гиперполяризации. Однако такая инфраструктура пока не является распространённой. На Химическом факультете Венского университета с 2020 года установлен прибор DDNP-ЯМР, сконструированный Деннисом Курцбахом.