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