Новый оптический метод визуализации одиночных молекул может ускорить разработку лекарств

Исследователи из Университета Клемсона и Университета Генриха Гейне разработали и продемонстрировали новые оптические методы для наблюдения за действием одиночной молекулы в реальном времени.

Эта методика, основанная на флуоресценции, может ускорить развитие структурной биологии, помогая учёным лучше понять, как собираются, функционируют и взаимодействуют молекулы, что, в свою очередь, может помочь в структурированном дизайне лекарств.

Хьюго Санабрия и его коллеги использовали метод фёрстеровского резонансного переноса энергии (FRET) для изучения лизоцима бактериофага T4. Результаты опубликованы 6 марта 2020 года в журнале Nature Communications в статье "Resolving dynamics and function of transient states in single enzyme molecules".

По словам соавтора Клауса А.М. Зайделя, эта работа раскрывает ключевые этапы реакции биомолекулярных машин (ферментов). Их исследование демонстрирует необходимость учёта третьего функционального состояния в известной кинетике Михаэлиса-Ментен.

Суть метода

Основной инструмент — FRET-микроскоп, способный визуализировать биомолекулы размером в несколько нанометров. Для визуализации на набор молекул помещали два флуоресцентных маркера, создавая "молекулярную линейку". Меняя расположение маркеров, команда собирала набор расстояний, описывающих форму и структуру наблюдаемой молекулы.

Собранные данные обрабатывались вычислительными методами, что позволило отличить, как молекула выглядит и как движется. "Мы наблюдаем изменения в структуре, и, поскольку наш сигнал зависит от времени, мы также можем получить представление о том, как молекула движется", — пояснил Санабрия.

Исследование лизоцима

В исследовании команда объединила FRET-микроскопию с молекулярным моделированием, чтобы изучить лизоцим — фермент, разрушающий защитные углеводные цепи клеточной стенки бактерий.

Метод позволил отслеживать лизоцим бактериофага T4 в процессе обработки субстрата с беспрецедентным пространственным и временным разрешением, близким к атомарному уровню.

Ключевое открытие

Оптический метод Санабрии показал, что структура лизоцима отличается от ранее принятой. До сих пор структуры белков определяли в основном методами рентгеновской кристаллографии, ЯМР-спектроскопии и криоэлектронной микроскопии.

"Долгое время считалось, что эта молекула существует в двух состояниях... Однако мы идентифицировали новое функциональное состояние", — заявил исследователь.

Перспективы и развитие

Команда помогает создать базу данных для хранения FRET-структурных моделей биомолекул, чтобы ими могли пользоваться другие учёные. Вместе с сообществом FRET они также работают над установлением стандартов для FRET-микроскопии.

Санабрия планирует применять свою методику визуализации к другим биомолекулам. Этот метод можно использовать для изучения сворачивания и misfolding белков, любой структурной организации биомолекул, а также для скрининга и разработки лекарств.

"Эта работа — веха в определении структуры с использованием FRET для картирования короткоживущих функционально значимых состояний ферментов", — заключил Клаус Зайдель.