Демократизация высокопроизводительного анализа силы отдельных молекул

Молекулы в нашем организме подвергаются различным механическим силам — от натяжения сокращающихся мышечных волокон до гидродинамических напряжений в потоке крови. Эти силы напрямую влияют на их структуру и функцию. Анализ реакции отдельных молекул на такие силы позволяет лучше понять многие биологические процессы и потенциально создать более точнодействующие лекарства. Однако до сих пор эксперименты с отдельными молекулами под нагрузкой были дорогими, трудоемкими и сложными, поскольку требовали использования сложного оборудования, такого как атомно-силовой микроскоп или оптические пинцеты, позволяющих анализировать только одну молекулу за раз.

Исследовательская группа под руководством Уэсли Вонга из Института биологически инспирированной инженерии Висса при Гарварде и Бостонской детской больницы совершила значительный прорыв. Они разработали недорогой метод, позволяющий одновременно анализировать силовые реакции тысяч схожих молекул. В статье, опубликованной в Nature Communications, они описывают, как программируемые ДНК-нанопереключатели можно использовать в сочетании с новой миниатюрной центрифужной силовой микроскопией (CFM) в качестве высоконадежного инструмента для наблюдения тысяч отдельных молекул и их реакции на механические силы параллельно.

«Этот новый комбинированный подход позволит нам и другим исследователям изучить, как ведут себя отдельные молекулярные комплексы, когда они выводятся из равновесия регулируемой силой, создаваемой в нашей новой CFM. Основывая этот инструмент на том, что есть и используется почти в каждой лаборатории — настольной центрифуге, — мы надеемся сделать измерения силы на уровне одной молекулы доступными практически для всех», — сказал Вонг, доктор философии, старший автор исследования.

Более ранние работы Вонга в Институте Роуленда при Гарварде привели к созданию первой CFM в 2010 году — это был высокоспециализированный прибор, проводивший высокопроизводительные прецизионные силовые измерения на отдельных молекулах, прикрепляя их к шарикам и растягивая с помощью центробежной силы. В новой версии CFM Вонг и его команда разработали способ проведения той же техники с аналогичной точностью, используя небольшой недорогой микроскоп, собранный из легкодоступных элементов и деталей, напечатанных на 3D-принтере. Этот микроскоп можно поместить в ротор стандартной настольной центрифуги, которая есть практически в любой биомедицинской лаборатории.

Кроме того, команда повысила надежность и точность анализа, интегрировав тысячи так называемых ДНК-нанопереключателей. Это линейные цепи ДНК с парами взаимодействующих молекул, связанных с двумя последовательностями в их средней части. При связывании друг с другом эти молекулы создают внутреннюю петлю ДНК. Концы нанопереключателей прикреплены одним концом к поверхности образца, а другим — к шарикам.

«Применяя определенный диапазон центробежных сил к шарикам, мы можем вызвать разрыв молекулярных комплексов, генерирующих петлевые структуры ДНК, что будет регистрироваться камерой с объективом. Важно, что использование ДНК-нанопереключателей в качестве стабильного каркаса позволяет нам повторять этот процесс многократно с одной и той же молекулой в условиях контролируемой температуры, что значительно повышает точность определения неоднородности, которую может проявлять одно молекулярное взаимодействие», — сказал Даррен Янг, первый автор исследования.

В будущих исследованиях ДНК-нанопереключатели, связанные с шариками, можно будет использовать для многократной сборки и разрыва различных биомолекулярных комплексов и определения управляющих ими механических сил. «Интегрированные ДНК-нанопереключатели очень модульны и могут быть функционализированы множеством различных биомолекул, практически по принципу "включи и работай", что позволит с высокой производительностью и надежностью изучать широкий спектр молекулярных взаимодействий», — добавил Вонг.

Далее ученые Института Висса планируют применить свою миниатюрную CFM с ДНК-нанопереключателями для исследования выбранных биомедицински значимых и зависящих от силы молекулярных взаимодействий, таких как белковые взаимодействия, управляющие свертыванием крови или слухом.

«Команда Вонга создала новую технологическую платформу, которая значительно снижает стоимость анализа силы отдельных молекул и делает его широко доступным для научного сообщества. Помимо углубления нашего понимания фундаментальных структурно-функциональных отношений молекул, это может оказаться ценным инструментом для разработки лекарств», — сказал Дональд Ингбер, доктор медицины и философии, основатель и директор Института Висса.