Новый «молекулярный флипбук» позволил исследователям лучше всего увидеть движение рибосом

Ученые используют технику, аналогичную флипбуку, чтобы изучать сверхбыстрые молекулярные процессы внутри клеток. Собирая вместе высокодетальные изображения молекул в разные моменты времени, они создают «молекулярный флипбук» для наблюдения за их движением.

Новая методика, разработанная в исследовательском кампусе Janelia (HHMI), позволяет заполнить недостающие «страницы» и раскрыть движение молекул внутри клеток с беспрецедентной детализацией. Команда из лаборатории Липпинкотт-Шварц использовала технику высокоразрешающего шаблонного сопоставления (HRTM), чтобы детально изучить движение рибосом — молекулярных структур, синтезирующих белки.

Как работает HRTM

Метод HRTM, разработанный в 2017 году, использует изображения замороженных клеток, полученные с помощью электронной микроскопии. Вместо попыток получить 3D-изображения молекул, HRTM ищет молекулярные особенности на 2D-изображениях разных регионов клетки.

Для поиска целевых молекул исследователи создают смоделированные шаблоны на основе известной 3D-структуры. Компьютерный алгоритм сканирует 2D-изображения в поиске совпадений с этими шаблонами в любом местоположении и ориентации. Найденные совпадения фиксируются, а затем собираются вместе.

Результаты исследования рибосом

Применив HRTM, исследователи смогли обнаружить рибосомы в 41 различном конформационном состоянии, охватывающем весь цикл элонгации (удлинения полипептидной цепи).

Объединив эти последовательности в «флипбук», команда создала 3D-видео, позволившее увидеть движение рибосомы в процессе элонгации. Были выявлены ранее не наблюдавшиеся движения, дающие ключи к пониманию молекулярных механизмов этого процесса.

Ключевые наблюдения:

• Плавное изгибающее движение белков межсубъединичных мостиков.
• Пружиноподобные переходы тРНК между сайтами связывания на рибосоме.

«То, что мы видим, — это движение рибосомы и ее партнеров по связыванию с детализацией, близкой к атомарной», — говорит Дженнифер Липпинкотт-Шварц, старший автор исследования.

Значение и перспективы

Новая работа не только углубляет понимание функции рибосом, но и служит первым тестом использования HRTM для отслеживания молекулярного движения внутри клеток. Эта техника может быть применена для изучения движения других типов молекулярных комплексов и взаимодействий, например, связывания фармакологических мишеней в клеточной среде.

«Я думаю, это действительно захватывающе, потому что это предоставляет дорожную карту для изучения структурной динамики различных молекулярных комплексов в клетках», — отмечает Липпинкотт-Шварц.

Исследование опубликовано в журнале Molecular Cell.