На иллюстрации: Изображения, полученные с помощью локализационной (сверху) и обычной (снизу) атомно-силовой микроскопии, для игл с разным радиусом кривизны. George R. Heath et al. / Nature\. Группа американских и британских ученых – физиков осуществила прорыв в области изучения структуры белков. Они разработали инновационный метод атомно-силовой микроскопии, который позволяет визуализировать белки на атомном уровне. Достигнутое высокое разрешение, составляющее доли нанометра, стало возможным благодаря анализу серии изображений одного объекта. Ученые использовали карту вероятностей для реконструкции рельефа поверхности белка. Этот метод открывает уникальные возможности для исследования структуры белковых глобул: можно различить отдельные аминокислоты и наблюдать конформационные изменения в молекулах. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature. В основе метода лежит принцип прощупывания поверхности белка нанометровой иглой, установленной на атомно-силовом микроскопе.
Моделирование реконструкции изображения поверхности с помощью локализационной атомно-силовой микроскопии поверхностей со сложным рельефом. George R. Heath et al. / Nature
При этом измеряется сила отталкивания поверхности иглы, что позволяет создать детальную карту рельефа белковой молекулы.
С помощью атомно-силового микроскопа можно не только определять рельеф поверхности в обычных комнатных условиях почти с атомарным разрешением, но и совершать механические операции со структурой материала: двигать по поверхности отдельные атомы или приподнимать целые атомарные слои.
Точность операций и разрешение микроскопа зависит не только от геометрии кончика иглы (на нем может быть и всего один атом), но и формой ее более широкой части. Особенно сильно этот фактор сказывается во время исследования биополимеров и поверхностей с резкими перепадами высот: в узкие расщелины иголка просто не пролезает.
Геометрия иглы ограничивает и анализ структуры биомолекул: для иглы доступна только поверхность полимерных клубков, но особенности конформационных перестроений таким образом изучить не получится. Кроме того, при комнатной температуре атомы в молекулах слишком быстро двигаются, чтобы получить статичное изображение.
Физики из США и Великобритании под руководством Симона Шойринга (Simon Scheuring) из Медицинского колледжа имени Вейла предложили модернизовать классическую методику, добавив дополнительные стадии анализа изображений, полученных после серии сканирований одного и того же объекта. Алгоритм поиска локальных максимумов позволил авторам работы сравнить результаты нескольких сканирований, составить карту плотности вероятностей и по усредненному рельефу рассчитать высоту тех или иных выступов с заданной вероятностью.
В результате ученым удалось избавиться от шумов по вертикальной оси, колебаний атомов на поверхности молекул и случайных флуктуаций. Интересно, что именно эти флуктуации и мелкие движения атомов фактически и позволяют посмотреть на объект «с разных сторон» и повысить разрешение. Компьютерное моделирование эксперимента показало, что для иглы микроскопа с радиусом кривизны больше расстояния между структурными элементами исследуемых молекул серии из нескольких десятков сканирований хватило для увеличения разрешения примерно в пять раз.
Отработав технику на компьютерных моделях, ученые перешли к анализу структур реальных молекул: мембранного белка аквапорина-Z, который образует ионные каналы и аннексина A5. С помощью метода объемной корреляции Фурье и статистического анализа разрешение метода удалось довести до размера одиночных аминокислот: 0,40 нанометра для аквапорина и 0,45 нанометра для аннексина. На некоторых участках разрешение достигало 0,2 нанометра. С помощью высокоскоростной атомно-силовой микроскопии ученые увидели структурные перестройки при замене аминокислоты на N-конце аннексина.
Структура аквапорина-Z, полученная с помощью стандартной (слева) и локализационной (по центру) атомно-силовой микроскопии и рентгеновской кристаллографии (справа). George R. Heath et al. / Nature
По словам ученых, таким образом можно повысить разрешение и классического атомно-силового микроскопа, и высокоскоростного сканирования. По словам физиков, этот подход можно использовать для любых биомолекул в физиологических условиях — и в статике, и в динамике.
Авторы работы отмечают, что вдохновлялись методами флуоресцентной микроскопии сверхвысокого разрешения и пользовались наработками этих подходов, которые позволяют увеличить разрешение микроскопа до 20 нанометров (при дифракционном пределе примерно в 400 нанометров). Это, однако, не единственный способ повысить разрешение оптического микроскопа: недавно физики показали, что добиться сверхвысокого разрешения можно, анализируя корреляцию поперечных мод оптического сигнала.
Автор: Александр Дубов
Источник: https://nplus1.ru/
