Metóda využíva bežne dostupné nástroje kryoelektrónovej mikroskopie.
Porozumenie tvaru proteínov je zásadné pre modernú biológiu a medicínu. Ilustračná fotografia: iStock/e-crow
Medzinárodný výskumný tím, ktorého súčasťou bol aj český vedec Dominik Pinkas z Ústavu molekulárnej genetiky Akadémie vied Českej republiky, vyvinul metódu, ktorá umožňuje určiť štruktúru proteínov s takmer atomárnym rozlíšením z jediného mikroskopického kryštálu vnútri jedinej bunky. Nová metóda posúva štruktúrnu biológiu bližšie k bunkovej realite.
Štúdia, publikovaná v časopise Nature Communications, kombinuje kryštalizáciu proteínov priamo v bunkách s elektrónovou difrakciou a prekonáva jednu z hlavných prekážok štruktúrnej biológie – potrebu obrovského množstva vzorky. Vďaka zníženiu požadovaného objemu materiálu o niekoľko radov metóda umožňuje detailné štruktúrne štúdium proteínov, ktoré sa ťažko čistia alebo kryštalizujú vo väčšom množstve, a posúva určovanie molekulárnych štruktúr bližšie k úrovni jednotlivých buniek.
Keď namiesto hromady materiálu stačí jediný kryštál
Porozumenie tvaru proteínov – molekulárnych strojov, ktoré poháňajú takmer všetky procesy v živých organizmoch – je zásadné pre modernú biológiu a medicínu. Tradične to vyžadovalo veľké proteínové kryštály, desiatky tisíc mikroskopických kryštálov alebo veľké množstvo vysokokoncentrovaného čisteného roztoku proteínu, aby bolo možné získať dostatok dát na určenie jedinej štruktúry.
V praxi to znamenalo, že mnoho proteínov jednoducho zostávalo pre štruktúrnu analýzu nedostupných. Nová metóda, zvaná IncelluloED, tento prístup zásadne mení. Namiesto zhromažďovania dát z obrovského množstva mikrokryštálov môžu teraz vedci určiť štruktúru z jediného intracelulárneho mikrokryštálu.
Vedci získali štruktúru proteínu z kryštálu s objemom približne 1,6 kubického mikrometra porovnateľnú s úrovňou detailu štruktúry, ktorá bola predtým odvodená z celkového objemu presahujúceho 11 miliónov kubických mikrometrov pomocou sériovej röntgenovej kryštalografie. Metóda IncelluloED dosahuje rozlíšenie približne 1,9 angströmu, čo umožňuje rozlíšiť jednotlivé atómy v rámci proteínovej štruktúry.
Z-projekcia strednej intenzity Z-vrstvenia v jasnom poli menšej oblasti bunkovej suspenzie, pričom čísla označujú jednotlivé kryštály. Zdroj: AV ČR
Jednou z hlavných výhod tejto metódy je, že proteínové kryštály vznikajú priamo vnútri živých buniek, čo umožňuje vyhnúť sa sérii purifikačných krokov, ktoré môžu citlivé proteíny pozmeniť alebo poškodiť. Hoci samotné merania prebiehajú na zmrazených a stenčených bunkových rezoch, analyzované štruktúry pochádzajú z proteínov vytvorených v bunkovom kontexte, a tak si môžu zachovať vlastnosti, ktoré sa pri bežnej príprave vzoriek strácajú.
Metóda využíva bežne dostupné nástroje kryoelektrónovej mikroskopie a nie je preto odkázaná výhradne na veľké a ťažko dostupné zobrazovacie zariadenia. Táto metóda podľa autorov smeruje k tzv. štruktúrnemu laboratóriu na úrovni jedinej bunky, kde bude možné určovať detailné molekulárne štruktúry z minimálneho množstva biologického materiálu. Vďaka dramatickému zníženiu nárokov na množstvo vzorky tak metóda IncelluloED otvára nové možnosti štúdia proteínov, ktoré boli doteraz mimo dosahu, a prispieva k hlbšiemu pochopeniu molekulárnych základov života.
