Криоэлектронные микроскопы научились видеть отдельные атомы в белках
Сразу две научные группы сообщили о создании криоэлектронных микроскопов, позволяющих проводить измерения с разрешением 1.2 ангстрема. Такое разрешение дает возможность изучать работу биомолекул на атомарном уровне. Препринты доступны на сайте bioRxiv (1, 2), коротко об этих исследованиях рассказывается в редакционной статье Nature.
Криоэлектронная микроскопия — это форма просвечивающей электронной микроскопии, в которой образец исследуется при низких температурах. Такой подход позволяет естественным образом фиксировать объекты в отличие от рентгеновской кристаллографии, где образец искусственно кристаллизуется. При изучении объекта методами рентгеновской кристаллографии исследователи могут тратить месяцы и годы на то, чтобы заставить кристаллизоваться исследуемую структуру, а многие важные с медицинской точки зрения белки не образуют пригодных для использования кристаллов. Подробнее про криоэлектронную микроскопию и ее плюсы вы можете прочитать в нашем материале «Тени во льду».
Основное применение криоэлектронных микроскопов заключается в исследовании органических структур. В 2017 году Нобелевской премии по химии были удостоены Жак Дюбоше (Jacques Dubochet), Иоахим Франк (Joachim Frank) и Ричард Хендерсон (Richard Henderson) с формулировкой «за развитие криоэлектронной микроскопии высокого разрешения для определения структуры биомолекул в растворах». Однако для понимания работы биомолекул на атомном уровне разрешение современных криоэлектронных микроскопов необходимо улучшить.
22 мая появилось два независимых препринта на сайте biorXiv (1, 2) от группы из Германии под руководством Хольгера Старка (Holger Stark) и группы из Англии под руководством Сторса Шереса (Sjors H.W. Scheres), где были представлены методы определения трехмерной структуры белков с помощью криоэлетронного микроскопа с разрешением до 1.25 и до 1.2 ангстрема соответственно. Такое разрешение позволяет увидеть отдельные атомы в некристаллизованом белке — к примеру, радиус атома водорода 0.5 ангстрем, а золота 1.7 ангстрем.
Обе группы изучали белок апоферритин. Группа Старка изучала структуру белка с помощью установки, которая гарантирует, что электроны, излучаемые микроскопом, перемещаются с одинаковой скоростью перед тем, как попасть на образец — такой метод существенно повышает разрешение изображений. Группа Шереса использовали похожую технологию для поддержания постоянной скорости электронов, более того они применили методы постобработки, которые уменьшают шум от отраженных электронов.
Группа Шереса протестировала построенную измерительную систему на упрощенной форме белка ГАМКА-рецептора. Этот белок находится в мембране нейронов, именно на него действует анастезия, успокоительные и многие другие лекарства. В прошлом году группа Шереса использовала криоэлектронный микроскоп для изучения этого белка с разрешением 2.5 ангстрема. Используя новую установку, исследователи достигли разрешения в 1.7 ангстрема, с еще более высоким разрешением в некоторых ключевых частях белка (до 1.2 ангстрема). На первый взгляд, разница кажется небольшой, но на таких масштабах десятая доля ангстрема играет решающее значение.
Метод криоэлектронной микроскопии активно используется учеными. К примеру, с его помощью была установлена структура поверхности вируса Зика, различных белков, в том числе узнающих начало гена, контролирующих циркадные ритмы, обеспечивающих чувствительность клеток к давлению.
Это поможет добывать руду и обрабатывать ядерные отходы
Европейские физики теоретически и экспериментально исследовали цикличные процессы всплытия и опускания на дно зерен арахиса в пиве, который называют «танец арахиса». Для этого они в течение двух с половиной часов снимали на камеру этот процесс в лаборатории. Анализируя эти результаты, ученые выяснили, что танец происходит из-за поверхностных свойств арахиса, на которых образование пузырьков предпочтительнее, чем на стенках стакана. Исследование опубликовано в Royal Society Open Science. В России распространен фокус, который показывают на вечеринках с шампанским. Для этого в полный бокал игристого напитка бросают изюминку, кусочек ананаса или дольку шоколада. Брошенное в жидкость тело сначала тонет, но затем всплывает под действием пузырьков газа, зародившихся на его краях. У поверхности пузырьки разрушаются и цикл повторяется. В аргентинских барах существует такая же традиция, только вместо шампанского там используют пиво, а вместо изюма — арахис. Там этот трюк получил название «танец арахиса». Несмотря на качественное понимание такого танца, физики плохо понимают его детали. Вместе с тем, такие процессы происходят не только на вечеринках или в барах, но и в природе: предполагается, что именно так плотный магнетит всплывает в магме. Похожим же образом горняки отделяют железо от руды. Разобраться в этом вопросе решили Луис Перейра (Luiz Pereira) из Университета Людвига Максимилиана и его коллеги из Англии, Германии и Франции. Для этого они провели экспериментальны с арахисом в пиве и подтвердили их результаты численными вычислениями. Физики наполняли резервуар размером 100 × 100 × 200 миллиметров одним литром лагера и опускали в него 13 обжаренных зерен арахиса Arachis hypogaea. Весь процесс они снимали на цифровую камеру. На начальном этапе все зерна плавали на поверхности из-за активного образования пузырей в перенасыщенном углекислом газом пиве. Примерно через 25-30 минут количество пузырьков уменьшалось и арахис начинал цикличное движение вверх и вниз под действием описанного выше механизма. Танец всех зерен прекратился примерно через 150 минут после начала эксперимента — количество газа, растворенного в пиве, опустилось ниже пороговой отметки. Для анализа результатов эксперимента авторы разбили задачу на три части: зарождение пузырьков, плавучесть и цикличность. Для этого им потребовалось знать капиллярные свойства системы, такие как плотность пива и газа, поверхностное натяжение, углы смачивания и так далее. Первое они рассчитали с помощью пивного онлайн калькулятора, второй — взяли из литературы, а для получения информации об углах ученым потребовалось провести дополнительные эксперименты по смачиванию пива стеклом и плоской частью арахиса. В результате физики смогли воспроизвести основные особенности поведения арахиса в пиве, которые они увидели в эксперименте. Так, они доказали, что арахис обладает поверхностью, на которой образование пузырей энергетически более выгодно, чем на стенках стакана. Если бы это было не так, танец арахиса был бы невозможен. Ученые отмечают, что арахис в пиве может служить модельной системой не только для задач геологии и добычи полезных ископаемых, но и в обработке ядерных отходов. Один литр пива — это не так много, когда речь идет о физическом эксперименте (впрочем, не только). То ли дело 30 литров! Именно столько потратили физики из Германии и Кореи, изучая стабильностью пивной пены при розливе «снизу-вверх».