Новата технология позволява да видим отделните атоми за първи път
Криоелектронната микроскопия разбива досегашните бариери. Иновативната технология ще позволи да се изследва работата на протеините в безпрецедентни детайли.
Техника за изобразяване на молекули, известна като криоелектронна микроскопия, дава най – подробните снимки до този момент. На тях може да се различи всеки отделен атом в протеина. Чрез постигане на атомна разделителна способност с помощта на криогенно-електронна микроскопия (крио-ЕМ), изследователите ще могат да разберат в подробности работата на протеините. Те не могат лесно да бъдат изследвани чрез други техники за изобразяване, като рентгенова кристалография например.
Скок в науката
Пробивът, направен от лаборатория в края на миналия месец, потвърждава позицията на крио-ЕМ като доминиращ инструмент за картографиране на 3D форми на протеини. Разучаването на подобни структури ще помогне на изследователите да разберат как действат протеините при здрави организми. Способът може да доведе до създаването на по-добри лекарства с по-малко странични ефекти. Вече можем да твърдим, че е прескочена последната бариера на разделителната способност.
Получаването на структури за атомна разделителна способност на много протеини доскоро беше обезсърчаваща задача, поради наличието на препятствия, като гъвкавостта на протеина.
Преодоляване на границите
Cryo-EM е техника позната от десетилетия. Тя определя формата на замразени проби чрез изстрелване на електрони по тях и записване на получените изображения. Напредъкът в технологиите за откриване на рикоширащи електрони и софтуер за анализ на изображенията, подкрепя новите методи. Откритията стартираха през 2013 година. Усъвършенстването на технологията доведе до протеинови структури, които са по-точни от всякога. Те са почти толкова добри, колкото тези, получени от рентгеновата кристалография. Последната е по-стара техника, която извежда структури от дифракционни модели, направени от протеинови кристали, с помощта на рентгенови лъчи.
Изумяващи детайли
Последвалият напредък на хардуера и софтуера доведе до повече подобрения в разделителната способност. Учените трябваше да разчитат до голяма степен на рентгеновата кристалография за получаване на структурно разделение на атоми. Въпреки това, на изследователите им отнемаше години да получат желаните резултати. Крио-ЕМ изисква само протеинът да бъде в пречистен разтвор.
Изображенията с атомна разделителна способност са достатъчно точни, за да се различават недвусмислено положението на отделните атоми. Тези структури са особено полезни за разбиране как действат ензимите. Използването на тези данни за създаване на лекарства, могат да блокират тяхната нежелана активност.
Екипът от учени е работил върху протеин, съхраняващ желязо. Поради своята подобна на скала стабилност, той се е превърнал в изпитателен модел за новия метод.
След това изследователите са използвали технологични подобрения, за да направят по-детайлни снимки. Новата технология изстрелва електрони, пътуващи със скорост, която намалява шума, генериран от други, извън протеиновата проба. Методът позволява да се избират отделни водородни атоми, както в протеина, така и в заобикалящите водни молекули.
Получаването на такава структура със съществуващата технология би отнело няколкостотин записа на данни и нереалистично количество изчислителна мощност плюс капацитет за съхранение на данни.
Новата структура разкри неизвестни досега детайли в протеина, включително водните молекули, в които се намира химикал, наречен хистамин. Това е златна мина за проектиране на медицински продукти, защото показва как лекарството може да измести водните молекули, което потенциално води до по-малко странични ефекти.
Пробивите вероятно ще затвърдят позицията на крио-ЕМ, като най-важния инструмент за повечето структурни проучвания. Компаниите за лекарства, които се нуждаят от модели за атомна разделителна способност, може би ще искат да се възползват от технологията. Рентгеновата кристалография все пак ще запази известна привлекателност. Ако един протеин може да бъде кристализиран, той би бил сравнително ефективен за генериране на структури от него. Но все пак може да отнеме от часове до дни, за да се получат достатъчно данни с висока резолюция.
