ONE-микроскопия: визуализация 3D-структуры белков на обычном микроскопе

Исследователи из Университетского медицинского центра Гёттингена (UMG, Германия) разработали новый метод — одноступенчатую наномасштабную экспансионную (ONE) микроскопию. Впервые он позволяет визуализировать трёхмерную форму отдельных белковых молекул с помощью обычного светового микроскопа.

В сочетании с искусственным интеллектом ONE-микроскопия даёт возможность обнаруживать структурные изменения в повреждённых или токсичных белках в человеческих образцах. Это открывает перспективы для ранней диагностики и лечения болезней, связанных с неправильным сворачиванием белков, таких как болезнь Паркинсона.

Метод был отмечен журналом Nature как одна из «семи технологий, за которыми стоит следить в 2024 году» и недавно опубликован в Nature Biotechnology.

Как работает метод?

Разрешение обычных световых микроскопов ограничено дифракционным пределом (~200 нм), что не позволяет разглядеть отдельные белки размером ~15 нм.

Вместо использования дорогих сверхразрешающих микроскопов ONE-микроскопия увеличивает объём самого образца. Клетки и структуры внутри них химически связывают с водопоглощающим гелем (как в детских подгузниках). При поглощении воды гель равномерно расширяется вместе с образцом до 15 раз.

Дополнительное воздействие тепла или ферментов приводит к расщеплению белковых молекул на фрагменты. При расширении эти фрагменты равномерно отдаляются друг от друга, сохраняя пространственное расположение, и оказываются на расстоянии больше дифракционного предела.

Последующее мечение фрагментов флуоресцентными молекулами позволяет визуализировать их на обычном световом микроскопе.

Ключевые достижения

• Реконструкция 3D-структуры: Комбинируя ONE-микроскопию с методом ИИ (encoder-decoder model), учёные впервые смогли реконструировать трёхмерную структуру отдельных белковых молекул из двумерных флуоресцентных изображений.
• Высокое разрешение: Метод достигает разрешения около 1 нанометра (в 100 000 раз меньше диаметра человеческого волоса). Это позволяет, например, увидеть Y-образную форму антител.
• Простота и доступность: Метод не требует дорогого оборудования и может быть выполнен в любой лаборатории с обычным микроскопом. Необходимое программное обеспечение предоставляется как бесплатный пакет с открытым исходным кодом.

Сравнение с крио-ЭМ

В исследовании структура рецептора GABA_A, контролирующего активность нервных клеток, была определена с помощью ONE-микроскопии и высокоразрешающей крио-электронной микроскопии (крио-ЭМ).

• Крио-ЭМ требует усреднения данных со ~100 000 изображений для реконструкции, что «размывает» гибкие, неупорядоченные петли белка (составляющие 15–20% структуры рецептора).
• ONE-микроскопия позволяет получить первые изображения всей отдельной молекулы менее чем за 72 часа после начала экспансии, визуализируя и эти гибкие области.

Потенциал для медицины

Неправильно свёрнутые белки могут образовывать токсичные агрегаты, что лежит в основе нейродегенеративных заболеваний.

С помощью ONE-микроскопии уже удалось визуализировать и классифицировать агрегаты белка альфа-синуклеина в образцах спинномозговой жидкости пациентов с болезнью Паркинсона.

«ONE-микроскопия могла бы позволить визуальную диагностику болезней неправильного сворачивания белков, таких как болезнь Паркинсона, на основе образцов крови», — говорит профессор Силвио О. Риццоли.

Ранняя визуальная диагностика по форме агрегатов даст пациентам доступ к своевременному и персонализированному лечению до того, как мозг будет серьёзно повреждён.