Наноантительные скаффолды позволили получить крио-ЭМ-изображение самой маленькой белковой структуры на сегодня

Коллектив исследователей из Института Розалинд Франклин, Оксфордского университета и источника синхротронного излучения Diamond Light Source разработал прорывной метод, позволяющий визуализировать очень маленькие белки с помощью крио-электронной микроскопии (крио-ЭМ). Результаты опубликованы в Nature Chemical Biology.

Создав новые бифункциональные, биспецифичные наноантительные скаффолды, учёные преодолели одну из главных проблем в этой области: визуализацию белков размером менее 50 кДа. Используя этот подход, команда определила структуру лизоцима яичного белка — самого маленького белка (всего 14 кДа), когда-либо разрешённого методом крио-ЭМ.

Это достижение крайне значимо, так как почти 75% генов, кодирующих белки у человека, производят белки именно в этом небольшом диапазоне размеров. Многие из этих белков критически важны для функций клетки и играют ключевую роль в здоровье и болезнях.

В последние годы крио-ЭМ одиночных частиц стала основным методом определения белковых структур. Одно из её главных преимуществ — способность показывать молекулярные детали структур в состоянии, близком к нативному.

Однако визуализация малых белков оставалась сложной задачей из-за их низкого отношения сигнал/шум, что приводит к трудностям при обработке данных (выделении и совмещении частиц) и, как следствие, к реконструкциям с низким разрешением.

Новый наноантительный скаффолд преодолевает эти проблемы обработки данных, ковалентно присоединяя малые белки к концам бифункциональных, биспецифичных наноантител. Это увеличивает их видимый размер и придаёт им отличительную геометрию.

«Это был самый большой вызов, с которым я когда-либо сталкивался, и это также был ценный опыт на моём пути к становлению независимым исследователем. Эта новая методика обладает огромным потенциалом, чтобы стать универсально применимым инструментом — не только в структурных исследованиях, но и во многих других областях, благодаря своим биспецифичным свойствам», — говорит соавтор Ганшунь И, постдокторант eBIC.

Димитриос Мамалис, совместный аспирант Оксфордского университета и Института Франклин, объясняет, как началась эта работа: «Это началось как эксперимент в пятницу днём, что означает, что это не было основным направлением наших исследований в тот момент, но привело к отличному результату».

«Мингда Е изначально работал над "гембоди" для кристаллографии, и тогда мы задумались, сможем ли мы перенести этот метод на крио-ЭМ, если сможем провести конъюгацию "гембоди" в растворе. Именно тогда я начал искать метод и оптимизировать реакции и условия, объединившись с Ганшунем И, чтобы решить структуры».

В отличие от многих аналогичных подходов, метод является модульным и не требует трудоёмкой повторной оптимизации для каждой новой белковой мишени. Он также позволяет одновременно изучать два белка, даже если они разного размера, присоединяя их к противоположным концам скаффолда.

Профессор Бен Дэвис, научный директор Института Франклин и соавтор исследования, подчеркнул силу этой совместной работы: «Это было замечательное, органичное сотрудничество, выросшее из параллелей между кристаллизацией и ковалентным захватом белков в растворе. Конъюгация "боковая цепь — боковая цепь" сработала исключительно хорошо, а эффективность метода поразительна. Это захватывающий и прагматичный новый способ изучения белков».