Ученые взвесили белковые молекулы с помощью света

Физики научились определять массу отдельных биополимерных молекул с помощью оптического микроскопа. Метод основан на анализе картины интерференции рассеянного света, и с помощью него можно не только измерять молекулярную массу биополимеров, но и исследовать динамику процессов их роста или агрегации, пишут ученые в Science.

Для измерения молекулярной массы одиночных органических молекул, в том числе биополимеров, обычно используют разные виды масс-спектрометрии, основанные на отличии в поведении ионизированных форм этих молекул в электрическом поле. Несмотря на то, что сейчас масс-спектрометрия — один из наиболее распространенных методов, из-за необходимости проводить анализ вещества в ионизированном виде в вакуумированной камере его возможности ограничены. В частности, таким образом невозможно исследовать динамические процессы, при которых происходит изменение массы молекул или образование агрегатов и комплексных структур.

Физики из Великобритании, Швеции, США, Германии и Швейцарии под руководством Филиппа Кукуры (Philipp Kukura) из Оксфордского университета предложили метод измерения массы макромолекул in vitro с помощью анализа рассеяния света на молекулах. Подход основан на изучении интерференционной картины, которая возникает при облучении лазером коллоидного раствора, содержащего крупные биополимерные молекулы. В «поле зрения» метода попадают те молекулы, которые осели из раствора на стеклянную подложку. На основании данных о контрастности изображения можно оценить массу молекулы. При этом, в отличие от других оптических методов, которые также позволяют визуализировать отдельные биомолекулы, этот подход достаточно универсальный и не требует прикрепления к молекулам чувствительных меток или наличия у них определенных оптических свойств, например, флуоресценции в нужном диапазоне длин волн.

Зависимость контраста от молекулярной массы была проверена на отдельных глобулярных белках, а также на нескольких модельных комплексных структурах: в частности, белково-липидных нанодисках, комплексах стрептавидина и биотина и миозионовых димерах. Все эти системы хороши тем, что их масса может меняться с течением времени или при изменении концентрации в растворе тех или иных веществ.

Оказалось, что с помощью такого метода можно определять массу биологических полимерных молекул, начиная с 19 килодальтон. При этом точность метода увеличивается при повышении массы и для крупных молекул достигает 2 процентов (в абсолютных значениях это около 1 килодальтона). Ученые отмечают, что метод универсален и позволяет исследовать молекулы различной формы, любого химического состава, поэтому таким образом можно определять массу не только белков, но и других биополимеров, в частности жиров и углеводов.

Кроме этого, благодаря высокому временному разрешению предложенный подход дает возможность изучения динамических процессов. В рамках исследования ученые проверили метод на нескольких процессах, в частности агрегации синуклеина и росте актиновых филаментов, и смогли измерить изменение скорости агрегации с течением времени и исследовать механизмы этих процессов.

По словам авторов работы, предложенный ими метод может оказаться крайне полезным при исследовании процессов взаимодействия между белками и для поиска новых лекарственных веществ. При этом в дальнейшем возможности технологии могут быть расширены, например, за счет контроля процессом прикрепления молекул к подложке.

Для повышения точности при анализе белков и других полимерных молекул ученые постоянно развивают методы анализа, используя для этого все более современные физические подходы. Например, биохимики из Израиля и США с помощью фокусировки частиц в микроканалах смогли на три порядка увеличить точность иммунохимического обнаружения белков. Другая группа ученых предложила использовать технологию электрораспыления для упрощения и снижения стоимости процесса секвенирования белков и других биополимеров.

Александр Дубов