Наблюдение за клеточной активностью по одной молекуле
Сборка и разборка белков и молекул — естественная часть многих важных биологических процессов. Наблюдать эти механизмы крайне сложно, так как они часто комплексны и происходят в нанометровом масштабе. Междисциплинарная команда исследователей из EPFL изобрела и применила технику, позволяющую изучать эти механизмы с беспрецедентной точностью. Их работа опубликована в Nature Nanotechnology.
Нанометрические структуры можно увидеть только с помощью специальных микроскопов, например, атомно-силовых, изобретённых в середине 1980-х. Они создают изображение, физически «ощупывая» топографию образца остриём на конце крошечного кантилевера. Образец сканируется точка за точкой. Поскольку это занимает время, обычными атомно-силовыми микроскопами можно получить изображения только статических образцов. Это бесполезно, когда учёные хотят наблюдать за изменяющимися во времени нанообъектами, например, белковыми комплексами.
«Изменение — суть живой материи и, следовательно, биологических процессов, — объясняет профессор Георг Фантнер, руководитель Лаборатории био- и наноинструментов (LBNI) EPFL. — Поэтому было необходимо найти способ это наблюдать».
Чтобы наблюдать процессы на изменяющемся образце, нужно увеличить скорость сканирования. Однако в традиционных быстрых атомно-силовых микроскопах силы, возникающие при измерении, могут мешать процессу молекулярной сборки, особенно если белковые комплексы хрупки. Исследователи EPFL нашли решение, используя импульсный лазерный свет для очень точного контроля физического взаимодействия острия с поверхностью. Это резко увеличило скорость сканирования, сохранив при этом аккуратное и точное движение.
2000 строк в секунду
«Мы достигли этого, используя в микроскопе два лазера. Один направлен на основание кантилевера, локально нагревает его и слегка изгибает, — говорит аспирант LBNI и соавтор статьи Адриан Нивергельт. — Изгибая кантилевер, мы можем сканировать поверхность намного быстрее, сохраняя точный контроль над движением. Кроме того, мы улучшили общую производительность системы, что позволило сканировать до 2000 строк в секунду».
Исследователи протестировали новую технологию, анализируя динамику формирования белковых колец SAS-6. Это семейство белков играет ключевую роль в сборке центриолей — крошечных органелл, сохранившихся от водорослей до человека, которые фундаментальны для подвижности и деления клеток. Новый инструмент впервые позволил визуализировать в реальном времени различные стадии сборки колец белков SAS-6.
«Это критически меняет правила игры в нашей области, — говорит профессор Пьер Гёнци, эксперт по биологии центриолей и соавтор исследования. — Теперь у нас наконец-то есть метод для прямого наблюдения за тем, как этот критический клеточный компонент собирается в кольцевой полимер», — добавляет постдок лаборатории Гёнци и соавтор статьи Никколо Бантерле. — Это позволяет лучше понять, как природа контролирует сборку одних из мельчайших строительных блоков жизни».