Визуализация трансмембранного переноса белка в реальном времени с помощью высокоскоростной микроскопии

Трансмембранный перенос белка — это важнейший наноразмерный динамический процесс, обеспечивающий перемещение белков через клеточные мембраны для достижения ими определённых локаций внутри клетки или выхода наружу. Этот процесс осуществляется через мембранные белковые комплексы, которые формируют необходимые каналы.

У бактерий группу белков, образующих комплекс SecYEG-SecA, помогает клеточным белкам проходить через цитоплазматическую мембрану. Компонент SecYEG представляет собой канал, через который SecA осуществляет перенос, используя энергию молекулы аденозинтрифосфата (ATP). Несмотря на различные подходы, детальное наблюдение этого процесса оставалось сложной задачей.

Впервые исследователям из Японии удалось напрямую визуализировать трансмембранный перенос белка с помощью высокоскоростной атомно-силовой микроскопии (HS-AFM) — событие, которое ранее предсказывалось биохимически, но никогда не наблюдалось. Это новаторское исследование, опубликованное онлайн в Nature Communications 8 января 2025 года, возглавил профессор Томоя Цуказаки из Nara Institute of Science and Technology (NAIST).

Команда, включая Юи Канаоку и доктора Такаюки Утихаси из Nagoya University, а также доктора Такахару Мори из Tokyo University of Science, успешно визуализировала, как комплекс SecYEG-SecA опосредует перенос развёрнутых белков через бактериальную мембрану на молекулярном уровне.

Исследователи сосредоточились на конформационных изменениях в SecA во время цикла гидролиза ATP, критически важных для механизма переноса. Гидролиз ATP служит источником энергии, движущим транспорт белка.

Анализируя динамику комплекса SecYEG-SecA с помощью HS-AFM, команда зафиксировала в реальном времени переход SecA между двумя различными конформационными состояниями, обусловленными изменением его области PPXD — так называемыми состояниями «High» и «Low». Эти изменения были связаны с циклом гидролиза ATP.

«Тринадцать лет назад мы начали этот путь, чтобы визуализировать трансмембранный перенос белка. Задача достижения необходимого пространственно-временного разрешения подталкивала к самым пределам возможностей HS-AFM. Тем не менее, благодаря неустанной преданности делу, тщательной подготовке образцов и терпеливому наблюдению, мы рады, что смогли получить эти поистине новаторские изображения», — говорит Цуказаки.

Детальный анализ также позволил оценить скорость переноса белка примерно в 2.2 аминокислотных остатка в секунду, и оказалось, что для успешного переноса достаточно одного комплекса SecYEG-SecA.

«Мы не только смогли запечатлеть процесс мембранного переноса белка в реальном времени — событие, ранее ускользавшее от визуального наблюдения, — но и оценили структурные изменения моторных белков и их скорость транспорта, что является значительным прорывом. В дальнейшем мы планируем применить этот метод для анализа других мембранных белков. Это исследование прокладывает путь для будущих работ по визуализации этих динамических процессов, что потенциально может привести к лучшему пониманию молекулярных механизмов, стоящих за переносом белков», — заключает Цуказаки.