Новый микроскоп раскрывает тайны клетки на молекулярном уровне

Физик из Университета Массачусетса в Амхерсте Дженнифер Росс создала микроскоп, который она называет Single Molecule TIRF (флуоресценция при полном внутреннем отражении). Он значительно ярче коммерчески доступных инструментов и обладает замечательной способностью видеть и фотографировать отдельные молекулы в реальном времени.

Изображение с прибора TIRF из недавнего исследования фермента катанина было размещено на обложке Biophysical Journal. В статье сообщается, что учёные впервые увидели и записали на видео процесс разрезания микротрубочек этим ферментом. Это достижение — ключ к пониманию базовой функции микротрубочек и того, что идёт не так при заболеваниях, связанных с их нарушением.

Микротрубочки — это прочные полые трубки диаметром около 25 нанометров. Они формируют пучки, обеспечивая структуру огромному разнообразию клеток — от растений до человека. Катанин — это фермент, который разрезает микротрубочки посередине или ближе к концам, что делает его важным регулятором контроля над этими молекулярными структурами.

Однако долгое время оставалось неясным, как именно этот фермент режет микротрубочки. Одна из причин — его чрезвычайно сложно очистить. Постдокторанту Хуану Даниэлю Диас-Валенсии удалось очистить катанин для серии экспериментов в коллаборации с клеточным биологом Дэвидом Шарпом из Медицинского колледжа Альберта Эйнштейна.

В недавней серии экспериментов группа не только задокументировала режущее действие катанина, но и обнаружила, что это действие зависит от концентрации. Также было установлено, что удаление катанина из клетки приводит к накоплению микротрубочек, которые «закупоривают» клетку изнутри, как затор из брёвен.

Для этих исследований учёные работали с препаратом очищенных мозгов свиньи, богатых микротрубочками, добавляя катанин, помеченный флуоресцентной меткой. Через микроскоп TIRF они снимали видео с помощью очень чувствительной камеры, способной видеть отдельные частицы света.

После трёхминутного контрольного периода исследователи добавляли очищенный катанин в разных концентрациях. Измеряя яркость флуоресцентных меток, они могут подсчитывать количество присутствующих молекул точнее, чем когда-либо прежде.

Было обнаружено, что катанин постоянно распадается и заново формируется в процессе разрезания микротрубочек. Фермент постоянно рециркулирует субъединицы. Однако, пока белок рубит микротрубочки, он также разрушает эксперимент, поэтому через 20 минут необходимо начинать новый.

Росс и коллеги уже переходят к следующим шагам, создавая ещё более мощный микроскоп с новыми возможностями на средства Национального научного фонда (NSF). Далее они обратят внимание на относительно неизвестный фермент фиджетин, названный в честь линии мышей с тремором, которые трясут головой из стороны в сторону.

Только в последнее десятилетие биологи начали изучать функцию фиджетина на молекулярном уровне. Этот белок уникален, он сильно отличается от катанина и регулирует формирование костей. Его отсутствие вызывает врождённые дефекты. Исследователи начинают работу с биологами-эмбриологами, включая Доминика Альфандари, для разработки дальнейших исследований.