Мощный микроскоп фиксирует моторные белки в беспрецедентных деталях

Аманда Хайдт — писатель-фрилансер и редактор из Моава, штат Юта.

Вы также можете найти этого автора в PubMed Google Scholar.

Иллюстрация молекулярных моторов, называемых кинезинами, на микротрубочках. Автор фото: Грэм Джонсон, Рон Вейл/HHMI.

Почти сразу же, как появились микроскопы сверхвысокого разрешения, ученые направили их на молекулярные моторы, называемые кинезинами. Эти белки, питаемые молекулярным топливом АТФ, управляют важнейшими процессами, включая деление клеток, передачу сигналов клетками и внутриклеточный транспорт, перемещая груз по белковым магистралям, называемым микротрубочками. Исследователи давно хотели понять, как работают эти моторы, но чтобы визуализировать их, ученым приходилось замедлять их работу или изолировать в упрощенных системах in vitro.

Теперь в статьях, опубликованных одновременно в журнале Science, две команды, работающие независимо друг от друга, использовали инструмент сверхвысокого разрешения под названием MINFLUX для изучения моторики практически в реальном времени при физиологически значимых концентрациях АТФ. В первой статье, возглавляемой изобретателем MINFLUX Стефаном Хеллом, который работает совместно с Институтом Макса Планка (MPI) по междисциплинарным наукам в Геттингене и MPI по медицинским исследованиям в Гейдельберге (оба в Германии), использовалась новая конструкция прибора для отслеживания белок в 3D, раскрывая подробности его движения1. Второй, возглавляемый биофизиком Йонасом Райсом из Европейской лаборатории молекулярной биологии в Гейдельберге, впервые показал, что MINFLUX способен отслеживать кинезин даже среди суеты живых клеток2.

«Для работы этой технологии требуется много разных вещей, и интересно видеть, как все эти вещи объединяются», — говорит Мишель Дигман, биомедицинский инженер из Калифорнийского университета в Ирвине, которая разрабатывает стратегии визуализации, но не участвовала ни в одной из них. изучать. «Это казалось доказательством концепции, демонстрирующей, что они способны очень точно отслеживать кинезин. А когда у вас есть система живых клеток, это еще более впечатляюще».

Исследователи начали разрабатывать основы движения кинезина вскоре после открытия белка в 1985 году, но появление инструментов сверхвысокого разрешения принесло новый уровень детализации. В 2004 году исследователи использовали метод под названием FIONA (флуоресцентная визуализация с точностью до одного нанометра), чтобы показать, что кинезин, который выглядит как высокий скрученный стебель в огромной обуви, ходит «рука об руку» по своим микротрубочкам, перемещая свои ноги совершают движения, похожие на движения рук ребенка, когда они пересекают брусья для обезьян3. Но, хотя ФИОНА обеспечивала исключительное пространственное разрешение, ученым пришлось нормировать АТФ, чтобы замедлить белок настолько, чтобы его изучить. В последнее десятилетие исследователи помечали кинезин шариками из германия4 или золота5, чтобы отслеживать его, но эти относительно громоздкие метки оставляют сомнения в том, насколько хорошо методы воспроизводят полный диапазон движений белка.

Когда Хелл и его команда представили 6 MINFLUX в 2016 году, он рассматривал это как шаг вперед по сравнению со своей предшественницей, микроскопией с истощением стимулированных выбросов (STED), за которую Хелл получил Нобелевскую премию по химии 2014 года. STED использует «истощающий» лазер в форме пончика, наложенный на лазер возбуждения, чтобы эффективно уменьшить область флуоресценции ниже обычного дифракционного предела света (около 250 нанометров). MINFLUX, напротив, использует лазер в форме пончика для создания точки нулевой интенсивности флуоресценции в его центре. Перемещая этот лазер, исследователи могут точно определить местоположение флуоресцентной молекулы со скоростью, близкой к физиологической.

Умные микроскопы обнаруживают мимолетные биологические процессы

В новом исследовании1, опубликованном в марте, группа Хелла протестировала версию MINFLUX, которая быстро последовательно излучает линейные лазеры в двух направлениях в фокальной плоскости, локализуя белок, находя, где интенсивность перекрывающейся флуоресценции наименьшая. Объединив несколько измерений, исследователи смогли создать треки, которые показывают, где молекула движется по микротрубочкам, подобно приложению, которое отображает путь бегуна.