Первый портрет живого белка при -265°C: как на самом деле работает молекулярная машина жизни

Наши способности думать, чувствовать и взаимодействовать с миром зависят от крошечных молекул — белков. Несмотря на десятилетия исследований, учёные до сих пор не до конца понимают, как устроены эти молекулярные машины и как они работают в живых клетках.

В новом исследовании, опубликованном в журнале Science Advances , специалисты Института науки о свете Общества Макса Планка показали, что оптическая микроскопия при сверхнизких температурах способна рассматривать отдельные участки белка PIEZO1 с точностью до ангстрема — то есть до размеров нескольких атомов. И главное — это можно сделать прямо в естественной мембране клетки.

До сих пор для изучения структуры белков использовались в основном рентгеновская кристаллография и криоэлектронная микроскопия. Первая требует кристаллизации белка, вторая позволяет работать с отдельными молекулами, но плохо справляется, если белок окружён другими биомолекулами. Новый метод даёт возможность обходиться без этих ограничений и наблюдать белки практически в их естественном состоянии.

Особое значение работа имеет для исследования мембранных белков — тех, что располагаются на поверхности клеток и выполняют роль датчиков и посредников. Один из них, PIEZO1, отвечает у млекопитающих за восприятие прикосновения и давления. Ранее с помощью крио-ЭМ было показано, что в искусственной мембране он образует куполообразную структуру, изгибающую поверхность.

В новом эксперименте учёные пометили PIEZO1 флуоресцентными маркерами и смогли изучить его при температуре всего 8 Кельвинов. Это позволило увидеть несколько различных конфигураций белка и проследить, как он меняет форму в ответ на механическое воздействие.

«Ключевым новшеством стало сверхбыстрое замораживание, благодаря которому вода не успевает кристаллизоваться, и белок сохраняет естественную структуру», — объяснил первый автор работы доктор Хишам Мазал. Для этого пришлось разработать сложную установку: криогенный оптический микроскоп и специальную вакуумную систему для переноса образцов.

Такой подход не только сохраняет белок и его окружение в неизменном виде, но и значительно продлевает срок работы флуоресцентных меток, что позволяет собирать гораздо больше данных. «Мы можем определить положение каждой молекулы с поразительной точностью — всего несколько ангстрем, что соответствует диаметру нескольких атомов», — отметил руководитель проекта профессор Вахид Сандогдар.

В дальнейшем исследователи намерены объединить этот метод с криоэлектронной микроскопией сверхвысокого разрешения. По словам Мазала, это открывает новое направление в структурной биологии и приближает нас к пониманию того, как устроена и работает молекулярная машина жизни.