Новый наноинструмент для измерения механических свойств биомолекул

Физики из Мюнхенского университета имени Людвига и Максимилиана (LMU) разработали новый наноинструмент, который позволяет легко характеризовать механические свойства биомолекул.

Метод позволяет прикладывать постоянную силу к отдельной макромолекуле размером в несколько нанометров и наблюдать за её реакцией. Это даёт возможность проверить, может ли белок или ген функционировать нормально, когда его структура деформирована силами, сопоставимыми по величине с теми, что действуют внутри клеток.

Преодоление ограничений классических методов

Новый подход преодолевает два фундаментальных ограничения наиболее распространённых инструментов силовой спектроскопии, таких как атомно-силовая микроскопия и методы на основе оптических или магнитных ловушек:

• В классических методах молекулы всегда напрямую связаны с макроскопическим преобразователем, что технически сложно и часто даёт зашумлённые данные.
• Эти процедуры позволяют исследовать молекулы только по одной.
• Новый метод не имеет этих ограничений: структуры работают полностью автономно, и с их помощью можно одновременно изучать огромное количество молекул, что значительно ускоряет сбор данных.

Принцип работы: ДНК-оригами и FRET

Инструмент создан с помощью методики ДНК-оригами, которая использует свойства комплементарного спаривания оснований ДНК для сборки наноструктур.

• Конечная структура представляет собой молекулярный зажим, запрограммированный оказывать определённую силу на тестируемую молекулу.
• Сила прикладывается с помощью одноцепочечной ДНК, протянутой между двумя плечами зажима и содержащей последовательность для связывания целевой молекулы.
• Величину силы можно точно настраивать, изменяя длину одноцепочечного участка основание за основанием, что аналогично очень слабому растяжению пружины.
• Таким образом можно прикладывать чрезвычайно малые силы в диапазоне от 1 до 15 пН (пиконьютон), сопоставимые с силами, действующими на белки и гены в клетках.

Эффект приложенной силы считывается с использованием явления Förster Resonant Energy Transfer (FRET) — резонансного переноса энергии между двумя флуоресцентными красителями, который сильно зависит от расстояния между ними. Когда силы достаточно для деформации тестируемой молекулы, расстояние между маркерами меняется, и величина переноса энергии служит точной мерой искажения молекулы в нанометровом масштабе.

Практическое применение

В сотрудничестве с исследователями из Регенсбургского университета команда использовала новую технику для изучения TATA Binding Protein — важного регулятора генов.

• Было обнаружено, что этот белок больше не может выполнять свою нормальную функцию, если его мишень (специфическая последовательность ДНК) подвергается воздействию силы более 6 пН.

Перспективы: Поскольку зажимы имеют микроскопические размеры и работают автономно, в будущем их можно будет использовать для изучения молекулярных процессов в живых клетках в реальном времени.