Первое 3D-наблюдение за работой наномашин внутри клеток

Обычно для изучения белковых наномашин биологи изолируют эти комплексы в пробирках и применяют in vitro методы, позволяющие наблюдать их структуру на атомном уровне. Альтернативно используются методы анализа внутри живой клетки, но они дают мало структурной информации. В данном исследовании учёные впервые напрямую наблюдали структуру и функцию белковых комплексов в живых клетках.

"Методы in vitro превосходны, но информация ограничена. Мы не поймём, как работает двигатель, если разберём его на части. Нам нужно видеть собранный двигатель в машине в работе. В биологии у нас всё ещё нет инструментов, чтобы наблюдать внутреннюю работу живой клетки, но наша техника — шаг в правильном направлении. Теперь мы можем видеть в 3D, как белковые комплексы выполняют свои функции", — объясняет Ориол Гальего, исследователь IRB Barcelona.

Наблюдение за нанометрической машинерией в работе

Новая стратегия объединяет методы микроскопии сверхвысокого разрешения и вычислительного моделирования. Технология позволяет наблюдать белковые комплексы с точностью 5 нм, что в четыре раза лучше, чем у стандартной сверхразрешающей микроскопии, и открывает возможности для ранее невыполнимых исследований в клеточной биологии.

Исследователи генетически модифицируют клетки, чтобы создать внутри них искусственные опоры, к которым можно прикрепить белковые комплексы. Эти опоры спроектированы так, чтобы можно было регулировать угол обзора зафиксированной наномашинерии. Затем для определения 3D-структуры комплекса с помощью методов сверхразрешения измеряются расстояния между различными его компонентами, которые затем интегрируются — процесс, аналогичный работе GPS.

Изучение экзоцитоза

Метод был применён для изучения экзоцитоза — механизма, который клетка использует для коммуникации с внешней средой. Например, нейроны общаются друг с другом, высвобождая нейромедиаторы через экзоцитоз. Исследование позволило раскрыть полную структуру ключевой наномашины экзоцитоза, которая до сих пор оставалась загадочной.

"Теперь мы знаем, как работает эта машинерия, состоящая из восьми белков, и для чего важна каждая из них. Эти знания помогут нам лучше понять роль экзоцитоза в раке и метастазировании — процессах, в которых эта наномашинерия нарушена", — говорит Гальего.

Перспективы метода

Понимание того, как наномашины выполняют свои клеточные функции, имеет биомедицинское значение, поскольку нарушения в их работе могут приводить к развитию заболеваний. Новая стратегия позволит изучать клеточную белковую машинерию как в норме, так и при патологии. Например, можно будет увидеть, как вирусы и бактерии используют белковые наномашины во время инфекции, а также лучше понять дефекты в комплексах, ведущие к болезням, для разработки новых терапевтических стратегий.

Техника применима к относительно крупным комплексам.

"Возможность видеть белковые комплексы размером 5 нм — большое достижение, но до наблюдения внутренностей клетки в атомном масштабе, как в методах in vitro, ещё далеко. Я думаю, что будущее — в интеграции различных методов и объединении силы каждого из них", — заключает Гальего.