Измерение внутримолекулярных расстояний с точностью до ангстрема с помощью света

Физики из Институтов Макса Планка (MPI) в Гёттингене и Гейдельберге под руководством Штеффена Заля и Штефана Хелла смогли измерить расстояния внутри биомолекул с помощью светового микроскопа с точностью до 1 нанометра и с ангстремной точностью.

Достигнутое с помощью микроскопии MINFLUX внутримолекулярное разрешение позволяет оптически регистрировать пространственные расстояния между субъединицами в макромолекулах и, таким образом, обнаруживать различные конформации отдельных белков. Результаты опубликованы в журнале Science.

С помощью новых концепций флуоресцентной наноскопии, таких как MINFLUX, можно разделять даже близко расположенные биомолекулы. Теперь исследователи продемонстрировали, что этот метод также можно использовать для оптического измерения трёхмерного расстояния между двумя флуоресцентными метками, прикреплёнными к определённым участкам макромолекулы, с точностью до ангстрема.

Основная сложность при расстояниях менее 5–10 нанометров заключалась во взаимодействии флуоресцентных молекул размером около 1 нм друг с другом, что мешало их независимому свечению — необходимому условию для надёжного измерения.

Выход в диапазон FRET

До сих пор детектирование нанометровых расстояний между белками или их субъединицами было прерогативой метода FRET (Förster resonance energy transfer). Исследователи с помощью MINFLUX теперь также вышли в этот диапазон разрешения.

Они использовали специально разработанные фотоактивируемые флуоресцентные молекулы, которые можно «включать» поочерёдно с помощью небольшой дозы УФ-света, не взаимодействуя друг с другом. Это позволило независимо маркировать и регистрировать позиции в макромолекуле с ангстремной точностью.

  • MINFLUX измеряет расстояния, определяя позиции молекул в 2D или 3D, вплоть до их непосредственного контакта.
  • FRET оценивает расстояние косвенно, через передачу энергии от одной молекулы красителя к другой, что зависит также от их ориентации и может приводить к неопределённостям.

«MINFLUX — это новый, очень мощный инструмент в репертуаре структурной биологии для исследования белков и других биомолекул», — говорит Штефан Хелл.

Молекулярные линейки и эксперименты

Для демонстрации точности метода команда использовала «молекулярные линейки» — полипролины определённой длины, с которых в 1960-х начиналась классическая FRET.

Кроме того, метод был успешно применён:

  1. В человеческих клетках для визуализации меченых ламинов, образующих нити толщиной около 3 нм вокруг ядра клетки.
  2. Для экспериментов с нанотелами и их олигомерами.
  3. Для разрешения пространственного положения субъединиц белков-антител.
  4. Для измерения расстояний всего в 1 нанометр между идентичными субъединицами бактериального цитратного сенсора, где MINFLUX чётко показал две структурные arrangements с точностью около 1 Å.

Эти результаты впервые были представлены на Ежегодном собрании Биофизического общества США в начале 2023 года. Штефан Хелл, получивший Нобелевскую премию по химии в 2014 году за разработку микроскопии сверхвысокого разрешения, отметил, что возможность разрешать структуру внутри макромолекул с помощью MINFLUX, впервые продемонстрированного в 2016 году, радикально раздвинула границы световой микроскопии.