Новая технология рентгеновской съёмки фиксирует белки в движении
Учёные из Чикагского университета, Национальной лаборатории Аргонн и Гарвардского университета усовершенствовали новый метод создания экспериментальных «видео» белков в движении.
В статье, опубликованной в журнале Cell, они продемонстрировали метод, названный электрически-стимулированной, разрешённой по времени рентгеновской кристаллографией (EFX), на примере калиевого ионного канала — поры в клеточной мембране, регулирующей движение ионов калия.
Полученные видео подтвердили результаты других исследований, полученные за последние 25 лет с помощью более трудоёмких биохимических подходов. Это показывает, что EFX может стать мощным новым инструментом для быстрой визуализации и понимания динамики белков.
«Фундаментальная проблема в том, что у нас никогда не было методов для простых экспериментов, чтобы увидеть белки в движении, потому что белки очень малы и движутся очень быстро», — сказал доктор философии Рама Ранганатан, один из старших авторов исследования.
«Волшебный эксперимент»
В 2016 году команда Ранганатана впервые описала в Nature использование электрического поля для приведения белков в движение с одновременной съёмкой методом кристаллографии с временным разрешением.
Метод заключается в размещении кристаллизованной версии целевого белка на пути рентгеновского луча. Когда рентгеновские лучи попадают на кристалл, они рассеиваются, создавая узоры, которые анализируются для получения полной трёхмерной формы. «Разрешённая по времени» часть техники означает непрерывную съёмку белка во время его структурных изменений.
«Это был волшебный эксперимент, которого мы все ждали», — сказал Ранганатан.
В 2017 году он переехал в Чикагский университет, чтобы возглавить объект BioCARS, который предоставляет доступ к передовым рентгеновским технологиям с использованием Advanced Photon Source в Национальной лаборатории Аргонн.
Изучение ионного канала
Совершенствуя технологию EFX, команда сосредоточилась на изучении калиевого ионного канала. Активность канала инициируется приложением электрического поля, заставляющего ионы двигаться через пору. Это позволило экспериментально манипулировать действием, чтобы записать нужную активность.
«В масштабе времени в пару наносекунд мы смогли увидеть ионы, текущие через пору этого канала», — сказал Ранганатан. «Все эти 25 лет знаний мы смогли увидеть в динамике одного канала во время его работы».
Разница в том, что другим учёным приходилось использовать трудоёмкие методы, такие как индуцирование генетических мутаций, тогда как EFX смогла зафиксировать активность ионного канала в одном чётком видео.
Будущее: интеграция с моделями и ИИ
Цель — интегрировать эти динамические наблюдения с вычислительными моделями для улучшения белковой инженерии и дизайна. Ранганатан уже активно использует ИИ для проектирования новых белков через свою биотехнологическую компанию Evozyne.
Подробные видеоизображения белков в действии — реальные или смоделированные — могут быть включены в эти модели для уточнения и улучшения дизайна.
«Мы могли бы создать цикл между вычислительным прогнозированием и экспериментом, чтобы уточнить наши симуляции до уровня, когда они будут действительно похожи на эксперименты», — сказал Ранганатан. «Как только мы запустим симуляции для всех молекул, структуры которых определены, мы сможем создать базу данных динамики, с помощью которой сможем действительно делать вычислительные прогнозы для всех белков в действии».