Достижения в исследованиях одиночных молекул — «революционные, а не эволюционные»
Благодаря быстрому прогрессу в микроскопии за последнее десятилетие исследователи теперь могут наблюдать транскрипцию отдельного гена с ДНК или активность белковой молекулы внутри живой клетки. Эта набирающая обороты революция в наномедицинских исследованиях стала темой двух научных сессий «Frontiers in Single-Molecule Biophysical Chemistry and Imaging» на национальной встрече Американского химического общества (ACS) в 2006 году в Сан-Франциско.
Свет как инструмент
Одна из главных задач — сделать отдельную молекулу видимой, не повредив живую клетку. В 1989 году В. Э. Моернер и его коллеги из IBM впервые показали, что одиночную органическую молекулу можно обнаружить с помощью оптики.
В исследовании, опубликованном 18 июля в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), Моернер и его коллеги из Стэнфорда успешно пометили отдельные молекулы недавно открытого белка MreB и отследили его движение внутри живых бактерий. С помощью высокочувствительного микроскопа они создали видео в реальном времени и обнаружили, что MreB движется по клетке случайным образом, а некоторые молекулы являются частью филамента, движущегося внутри клетки подобно беговой дорожке.
Отдельная молекула MreB присоединяется к одному концу филамента и проходит по всей его длине — примерно 390 нанометров — примерно за минуту, после чего отсоединяется. Понимание функции отдельного белка MreB может дать важные сведения для биомедицинских исследований и стать мишенью для новых лекарств.
Исследование в PNAS было поддержано финансированием от Министерства энергетики и Национальных институтов здоровья (NIH).
Нанотехнологии природы
По словам биофизика Стивена Блока, прогресс в исследованиях одиночных молекул за последние 15 лет был «революционным, а не эволюционным». В 1993 году Блок и его коллеги первыми наблюдали движение отдельной молекулы кинезина — белка, переносящего хромосомы и другие грузы по микротрубочкам в живых клетках. Они обнаружили, что кинезин движется дискретными шагами длиной всего 8 нанометров.
К 2005 году усовершенствования в оптической ловушке позволили им измерять движение отдельного фермента вдоль цепи ДНК с точностью до 0,1 нанометра (диаметр атома водорода). Разрешение улучшилось с 8 нанометров до 3,4 ангстрем за примерно 10 лет, что в 25 раз.
В статье в журнале Science от 11 августа Блок и аспирант Уильям Гринлиф представили новый метод секвенирования ДНК с использованием технологии одиночных молекул. Метод основан на измерении времени паузы фермента РНК-полимеразы у каждого нуклеотида (A, T, G, C), а не на химическом анализе. Стэнфорд планирует лицензировать эту технику.
Изучение отдельных молекул позволяет обнаружить их индивидуальные различия. Многие заболевания вызваны генетическими дефектами, приводящими к аномальному поведению молекул. Новые инструменты с поразительной точностью позволяют задавать новые вопросы о молекулярных механизмах.