Определение расстояний между белками, осуществляемое в нанометровом диапазоне, как правило, выполняется при помощи специализированных микроскопов. Эти устройства позволяют визуализировать расположение макромолекул относительно друг друга. Немецкие ученые разработали «линейку», способную проникать внутрь макромолекул и с высокой точностью измерять расстояния между ними. Данный метод может найти применение в медицине.
Белки — это крупные молекулы (макромолекулы), формирующиеся из атомов углерода, водорода, азота и кислорода, входящих в состав множества аминокислот, соединенных между собой пептидными связями. В некоторых случаях структура белка может изменяться, что приводит к изменению их формы повлиять на работу этих макромолекул. Изменения в структуре белков способны вызывать развитие различных заболеваний. Например, нарушение структуры тау-белка, который обеспечивает нормальную работу нейронов, приводит к болезнь Альцгеймера.
Для прогнозирования будущих структурных модификаций белков и понимания механизмов, лежащих в основе этих изменений, необходимо установить точные значения расстояний между атомами (и группами атомов) в составе этих крупных молекул.
Команда физиков из Германии во главе с Штеффеном Сахлом ( Steffen Sahl) ученые из Института многопрофильных наук Макса Планка разработали MINFLUX — внутримолекулярный инструмент, позволяющий измерять расстояния внутри белков. Точность измерений составляет от 0,1 нанометра (ангстрем) до 10 нанометров, и зависит от структуры белка. О результатах исследования сообщается в опубликованной статье, опубликованной в журнале Science.
Для формирования внутримолекулярного «ряда» Сахл и его соавторы применили флуоресценцию, что представляет собой процесс, при котором молекулы начинают излучать свет после поглощения фотона. Физики закрепили две небольшие флуоресцентные молекулы (используя фотоактивируемые красители, ученые присоединили молекулы к двум различным участкам макромолекулы, после чего облучили их лазерным лучом. По излученному свечению исследователи определили расстояние между этими участками.
Этот метод позволил определить внутримолекулярные расстояния для ряда белков. Минимальное измеренное значение составило всего 0,1 нанометра, что соответствует размеру одного атома. Также флуоресцентная «линейка» продемонстрировала результаты до 10 нанометров, обеспечивая более широкий диапазон измерений по сравнению с многими традиционными оптическими методами.
При одном из экспериментов исследователи изучили две различные конформации одного белка и выявили возможность их различения: расстояние между ними составляло один и четыре нанометра соответственно. В ходе другого исследования ученые определили внутримолекулярные расстояния в раковой клетке.
Авторы исследования отмечают, что высокая точность стала возможной благодаря применению передовых технологий, в том числе усовершенствованных микроскопов и флуоресцентных молекул. Эти молекулы не мерцают и не создают избыточного свечения, которое могло бы быть ошибочно интерпретировано.
В дальнейшем немецкие физики планируют доработать свою методику и определить, какие именно макромолекулы получат наибольшую выгоду от использования флуоресцентного «линейного» измерения.