Новый метод на основе везикул сохраняет естественную среду мембранных белков

Мембранные белки критически важны для многих биологических процессов и являются мишенями для лекарств. Десятилетиями для их выделения из клеточных мембран для структурных исследований ученые использовали детергенты.

Хотя такие подходы значительно продвинули понимание структур мембранных белков, они имеют ограничения: трудоемкий подбор детергентов и отсутствие нативных липидов мембраны, что мешает изучению липид-опосредованной регуляции.

Чтобы решить эти проблемы, группа под руководством профессора Дан Шанью из Гонконгского университета науки и техники (HKUST) разработала новый метод на основе везикул, который сохраняет естественную липидную среду мембранных белков. Исследование опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences.

После четырех лет систематической работы команда обошла необходимость в очистке детергентами, напрямую генерируя везикулы с целевым белком из клеточных мембран. Этот подход позволил получить образцы, пригодные для крио-ЭМ визуализации и структурных исследований.

Была создана комплексная методика для подготовки, очистки и контроля качества везикулярных образцов, что делает метод применимым к различным мембранным системам.

Для борьбы с сильным фоновым сигналом и помехами от нативной мембранной структуры разработали подход сортировки на основе микрофотографий, интегрированный с моделью искусственного интеллекта, для специфичной изоляции частиц мембранного белка высокого качества.

Метод успешно применили к нескольким системам мембранных белков:

• Структура сверхэкспрессированного белка AcrB в мембранах клеток E. coli с разрешением 3.9 Å.
• Структура нативного комплекса III дыхательной цепи во внутренних мембранах митохондрий сердца свиньи с разрешением 3.0 Å.

«Используя междисциплинарный подход профессора Дана, наша команда успешно разработала комплексную систему для in-situ структурных исследований мембранных белков, охватывающую как подготовку образцов, так и обработку данных, что преодолевает ранее непреодолимые проблемы», — сказал первый автор исследования, аспирант Лю Хан.

По сравнению с традиционными методами на основе детергентов, новый подход имеет ключевые преимущества: более низкая стоимость, более простая операция и удобство использования. Критически важно, что он сохраняет естественную мембранную среду и ключевые липидные молекулы, максимально поддерживая естественную конформацию белка.

Метод также демонстрирует универсальность, будучи применимым к разным мембранным белкам у различных видов и в разных клеточных мембранных структурах. Он обещает значительно снизить нагрузку на исследователей, упростить определение структур мембранных белков и расширить возможности крио-ЭМ структурной биологии.

«Эта платформа на основе везикул сохраняет физиологические липидные среды, одновременно устраняя трудности подбора детергентов, — пояснил профессор Дан. — Она дает возможность изучать мембранные белки в их естественной среде. При дальнейшей оптимизации мы стремимся достичь структурной протеомики мембранных белков в специфических биологических мембранных системах, таких как митохондрии, в различных физиологических и патологических условиях, что даст ценную информацию о заболеваниях».