Американские и британские физики разработали метод атомно-силовой микроскопии сверхвысокого разрешения, который позволяет изучать структуру белков на атомном уровне. Чтобы довести разрешение до десятых долей нанометра, ученые анализировали серию изображений, снятых с одного объекта, и по карте вероятностей реконструировали рельеф поверхности. Такой подход позволяет разглядеть отдельные аминокислоты на поверхности белковых глобул и проследить за конформационными перестроениями в молекулах, пишут ученые в Nature.
Чтобы получить изображение поверхности, атомно-силовой микроскоп водит по ней иголкой с острием нанометровой толщины, прощупывая рельеф, и измеряет силу, с которой поверхность эту иголку отталкивает. 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.
Если для многомолекулярных структур для увеличения разрешения нужно записывать несколько сканов одной и той же поверхности, то при изучении одиночных молекул можно использовать изображения одной и той же молекулы в разные моменты времени. Для белковых кристаллов результаты микроскопии подтвердили данными рентгеновской кристаллографии и компьютерного моделирования методом молекулярной динамики.
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.
Александр Дубов
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».