Прорыв в суперразрешающей флуоресцентной микроскопии

Ученые под руководством нобелевского лауреата Штефана Хелла из Института медицинских исследований Макса Планка в Гейдельберге разработали суперразрешающий микроскоп с пространственно-временной точностью один нанометр на миллисекунду. Усовершенствованная версия их недавно представленной наноскопии MINFLUX позволила наблюдать мельчайшие движения отдельных белков с беспрецедентной детализацией: шагающее движение моторного белка кинезина-1 по мере его перемещения вдоль микротрубочек с потреблением ATP. Работа, опубликованная в Science, подчеркивает мощь MINFLUX как революционного инструмента для наблюдения нанометровых конформационных изменений белков.

Для понимания внутренней работы клетки необходимо знание биохимии отдельных белков. Ключевая задача — измерение мельчайших изменений их положения и формы. Флуоресцентная микроскопия, в частности суперразрешающая микроскопия (наноскопия), стала незаменимой в этой области. Система наноскопии MINFLUX уже достигла пространственного разрешения в один или несколько нанометров — размер небольших органических молекул. Но для вывода понимания молекулярной клеточной физиологии на новый уровень требуются наблюдения с еще более высоким пространственно-временным разрешением.

Флуоресценция от одной молекулы

Все устоявшиеся методы измерения динамики белков имеют серьезные ограничения, мешающие работе в критически важном диапазоне (суб)нанометр/(суб)миллисекунда. MINFLUX требует в качестве метки только стандартную 1-нанометровую флуоресцентную молекулу, прикрепленную к белку, и поэтому может обеспечить как разрешение, так и минимальную инвазивность, необходимые для изучения нативной динамики белков.

Представленный исследователями микроскоп MINFLUX может регистрировать движения белков с пространственно-временной точностью до 1.7 нанометров за миллисекунду. Для этого требуется обнаружение всего около 20 фотонов, испускаемых флуоресцентной молекулой.

Наблюдение шагающего движения кинезина-1 с ATP в физиологических условиях

Кинезин-1 играет ключевую роль в транспорте грузов в наших клетках. Он буквально «шагает» вдоль филаментов (микротрубочек), используя энергию расщепления ATP.

Используя всего один флуорофор для мечения кинезина-1, ученые зафиксировали с нанометровым/миллисекундным разрешением регулярные шаги отдельных «головок» белка на 16 нм, а также субшаги на 8 нм. Их результаты доказали, что:

• ATP захватывается, когда одна головка связана с микротрубочкой.
• Гидролиз ATP происходит, когда связаны обе головки.
• Шагание включает вращение «стебля» (части молекулы, удерживающей груз).
• В начальной фазе каждого шага происходит вращение головки.

Важно, что эти открытия были сделаны при физиологических концентрациях ATP, что ранее было невозможно с такими мелкими флуоресцентными метками.