Химики разглядели изотопные метки в микроскоп

Американские ученые провели неразрушающий анализ изотопно-меченного L-аланина методом электронной микроскопии. Им удалось пространственно и спектрально обнаружить отдельные кластеры изотопно-замещенных и немодифицированных молекул аминокислоты. В статье, опубликованной в Science, говорится, что новый метод позволит наблюдать процессы, происходящие в клетках на уровне десятков нанометров.

Для изучения метаболизма клеток и механизма действия белков ученые часто используют изотопно-меченные вещества. Традиционные методы химического анализа меток на макромолекулярном уровне (например, масс-спектрометрия или инфракрасная спектроскопия) либо нуждаются во фрагментации молекул, то есть потере ценного образца, либо не обеспечивают достаточного разрешения и требуют больших концентраций анализируемого вещества. Недавние прорывы по увеличению монохроматичности электронных пучков в области электронной спектроскопии позволили с высоким разрешением анализировать органические молекулы в твердой фазе методом спектроскопии характеристических потерь энергии электронами (СХПЭЭ). Другие методы электронной микроскопии тоже применяют для изотопного анализа, однако высокие энергии, которыми облучаются образцы, часто приводят к их разрушению. В режиме СХПЭЭ «на расстоянии» (aloof vibrational EELS) пучок низкоэнергетических электронов не попадает на вещество, а взаимодействует с ним дальними кулоновскими силами, поэтому связи в молекулах не разрушаются.

Джордан Хэтчел (Jordan A. Hachtel) с коллегами из Национальной лаборатории Ок-Ридж осуществили идентификацию сайт-специфичных изотопных меток L-аланина неразрушающим методом СХПЭЭ на просвечивающем растровом электронном микроскопе (ПРЭМ). 

В изотопно-замещенных молекулах колебания связей с более тяжелым, по сравнению с незамещенными, атомом имеют более низкую частоту. В колебательном спектре это выглядит как сдвиг пика колебания в длинноволновую (красную) область. В случае L-аланина, авторы увидели сдвиг ассиметричных колебаний связи С-О карбоксильной группы около пяти миллиэлектронвольт. Эти данные соответствовали теоретическим квантово-химическим расчетам и экспериментальным данным, которые ученые получили инфракрасной спектроскопией c преобразованием Фурье. Более того, исследователям удалось разрешить изотопно-замещенные кластеры L-аланина от незамещенных не только спектрально, но и в пространстве. 

Авторы статьи утверждают, что этот метод может стать полезным дополнением к известным аналитическим подходам. Например, если использовать колебательную СХПЭЭ для анализа образцов в криогенных условиях, можно с разрешением электронного микроскопа отследить изотопно-меченные белки в образцах целых клеток, то есть непосредственно наблюдать внутриклеточные процессы на молекулярном уровне. 

Колебательная спектроскопия характеристических потерь энергии электронами - не первый неразрушающий метод локального анализа чувствительных к высоким энергиям биологических молекул. В 2017 году нобелевскую премию по химии вручили за разработку метода криоэлектронной микроскопии, которая позволяет изучать структуры белков.

Алина Кротова