Новый метод микроскопии позволяет увидеть митохондрии на атомном уровне
Новая технология высокого разрешения позволила впервые наблюдать динамические процессы дыхания в нативной мембранной среде на атомном уровне. Этот подход поможет лучше понять, что происходит внутри митохондрий и других органелл больных клеток, и найти новые, более точные мишени для лекарств.
В исследовании, опубликованном в Nature 29 мая, учёные разработали новый метод визуализации, объединив две микроскопические техники — анализ отдельных частиц (single-particle analysis) и крио-электронную томографию (cryo-ET) — для изучения митохондрий из животных моделей.
Также были созданы оригинальные вычислительные методы для преодоления ограничений высокоразрешающего крио-электронного микроскопа (cryo-EM) при анализе изображений из плотной клеточной среды.
Технология позволила команде увидеть сборки белков в их естественной среде внутри органеллы с беспрецедентным разрешением. Они также изучили, как индукция болезни в моделях изменяет структуры этих белков внутри митохондриальной мембраны. Работа открывает путь к изучению состава молекул в клетках на атомном уровне.
Объединение двух концепций микроскопии для получения изображений высокого разрешения
Команде Йельского университета удалось объединить концепции крио-EM анализа отдельных частиц и технологий cryo-ET, а также разработать новую методологию анализа изображений для изучения высокоразрешающих клеточных изображений cryo-EM в масштабе cryo-ET.
Они преодолели технические ограничения, разработав подход для визуализации целей cryo-ET в режиме single-particle, используя реконструкции cryo-ET в качестве начальных референсов для последующего совмещения и классификации отдельных частиц.
Ключевое преимущество метода — возможность изучать белки в их нативной среде, без необходимости выделения и очистки, которая разрушает слабо собранные комплексы высшего порядка и нарушает физиологические условия. Это особенно важно для мембранных белков, так как очистка с детергентом полностью разрушает нативную мембранную среду, критическую для их функций.
Визуализация митохондриальных суперкомплексов в атомных деталях
Используя новую технику, исследователи напрямую визуализировали митохондрии из моделей сердца животных, чтобы изучить митохондриальные дыхательные суперкомплексы — сборки белков во внутренней мембране органеллы, играющие жизненно важную роль в производстве энергии.
Впервые команда смогла увидеть структуры этих суперкомплексов в атомных деталях без их выделения из митохондрий. Разрешение было настолько высоким, что позволило напрямую наблюдать отдельные молекулы воды, связанные с этими комплексами.
Поскольку все суперкомплексы находились в своей естественной среде, отличной от очищенных белков, команда смогла визуализировать структуры многочисленных реакционных интермедиатов в процессе их функционирования внутри митохондрий на атомном уровне.
Прокладывая путь к разработке новых, более эффективных лекарств
Эта технология микроскопии может стать прорывной для понимания механизмов различных болезней. Команда Йеля создала модели сердца животных с различными стадиями ишемии миокарда.
Они обнаружили, что разные стадии болезни вызывают значительные изменения конформационного распределения и формы суперкомплексов вместе с их нативными мембранами.
В будущем эта техника может дать исследователям совершенно новый взгляд на то, что происходит внутри нормальных и больных клеток, что в конечном итоге может проложить путь к разработке высокоточных терапий, нацеленных на вновь обнаруженные молекулярные пути или структуры. Это особенно важно для мембранных белков, которые являются ключевыми мишенями для лекарств.
Команда Чжана уже планирует применять эту технологию для изучения различных моделей болезней, включая животных и, потенциально, донорские ткани.