Жизнь под микроскопом: зачем замораживать молекулы
Нобелевскую премию по химии в 2017 году присудили за разработку метода криоэлектронной микроскопии, позволяющего восстановить структуру биомолекул. В России единственным современным криомикроскопом располагает Курчатовский институт. Как этот прибор действует и что с его помощью исследуют, выяснило РИА Новости.
Мгновенная заморозка
Образец, представляющий собой тонкую пленку раствора, где плавают белки, вирусы или макромолекулярные комплексы, помещают в жидкий этан при температуре минус 182,8 градуса Цельсия. Раствор с биомолекулами не кристаллизуется, а превращается в аморфный лед.
"По сути, криомикроскоп - обычный просвечивающий электронный микроскоп, но с очень эффективным детектором и рядом конструктивных модификаций, позволяющих исследовать образец при криогенных температурах, вплоть до температуры кипения жидкого азота - минус 195,75 °C. Пучок ускоренных электронов проходит через тонкую пластинку образца, в нашем случае - аморфный лед с объектами. При этом фаза и амплитуда падающей волны меняются. В конечном итоге мы получаем многочисленные проекции отдельных молекул, которые по-разному ориентированы во льду", - объясняет Евгений Пичкур, инженер Ресурсного центра зондовой и электронной микроскопии Курчатовского института.
После предварительной настройки микроскоп делает множество сканов исследуемых объектов, своеобразных фотографий-проекций, получаемых благодаря взаимодействию электронов с атомами образца. Программа их обсчитывает и формирует 3D-изображение объекта, например белка.
Следует понимать, что этот объект - модель, а не изображение вроде фотографии. Фактически модель представляет собой усредненный образ изучаемой молекулы. Почему ему доверяют и считают невероятно точным? Дело в том, что образец с изучаемыми объектами тщательно готовят к исследованию на криомикроскопе. Обычно стараются получить как можно более чистый и гомогенный раствор, где молекулы находятся практически в одинаковых пространственных конформациях. Конечно, положение разных атомов в биомолекулах немного отличается. Но при расчетах компьютер усредняет данные, строя универсальную модель.
Ключ к жизни
"Нам удалось создать модель бактериальной рибосомы с разрешением лучше трех ангстрем (ангстрем - одна десятимиллиардная доля метра. - Прим. ред.). Уровень вполне мировой для подобного рода объектов. А еще это первая структура рибосомы с почти атомным разрешением, полученная целиком в России при помощи криоэлектронной микроскопии. Такое разрешение позволило визуализировать антибиотик, представляющий собой буквально песчинку по сравнению с рибосомой - крупным макромолекулярным комплексом, отвечающим за синтез белка во всех живых клетках", - рассказывает эксперт.
Механизм действия около 40% антибиотиков основан на том, что они мешают рибосомам бактерий синтезировать белки, и патоген погибает. Криоэлектронная микроскопия визуализировала это на молекулярном уровне.
"Надеемся, дальнейшая работа поможет продвинуться в понимании механизма биосинтеза белка, а также разработке новых более эффективных антибиотиков", - говорит Евгений Пичкур.
По его мнению, через пять-десять лет технологии достигнут того, что мы увидим динамичную картинку крохотного биологического объекта. Визуализация быстрых, хотя бы порядка миллисекунд, процессов - исключительно важный этап, для которого еще предстоит разработать соответствующие инструменты и подходы.
