Нобелевскую премию по химии в 2017 году присудили за метод восстановления структуры биологических макромолекул с помощью криоэлектронной микроскопии, который позволяет получать изображения биомолекул фактически в их естественном состоянии. В России единственным современным криомикроскопом располагает Курчатовский институт. Как прибор действует и что с его помощью исследуют, выяснило РИА Новости.
Образец, представляющий собой тонкую пленку раствора, в котором находятся изучаемые объекты, помещают в жидкий этан при температуре минус 182,8 градуса Цельсия. Раствор, содержащий биомолекулы, не кристаллизуется, а превращается в аморфный лед.
"По сути, криомикроскоп — обычный просвечивающий электронный микроскоп, но с очень эффективным детектором и рядом конструктивных модификаций, позволяющих исследовать образец при криогенных температурах, вплоть до температуры кипения жидкого азота — минус 195,75 °C. Пучок ускоренных электронов проходит через тонкую пластинку образца, в нашем случае — аморфный лед с объектами. При этом фаза и амплитуда падающей волны меняются. В конечном итоге мы получаем многочисленные проекции отдельных молекул, которые по-разному ориентированы во льду", — объясняет Евгений Пичкур, инженер Ресурсного центра зондовой и электронной микроскопии Курчатовского института.
После предварительной настройки микроскоп делает множество снимков исследуемых объектов, замороженных во льду, — своеобразных микрофотографий, получаемых благодаря взаимодействию электронов с атомами образца. Программа их обрабатывает и формирует 3D-изображение объекта, например белка.
Следует понимать, что этот объект — модель, а не изображение вроде фотографии. Фактически она представляет собой усредненный образ изучаемой молекулы. Почему ему доверяют и считают невероятно точным? Дело в том, что образец с изучаемыми объектами тщательно готовят к исследованию на криомикроскопе. Обычно стараются получить как можно более чистый и гомогенный раствор, где молекулы находятся практически в одинаковых пространственных конформациях. Конечно, положение разных атомов в биомолекулах немного отличается. Но при расчетах компьютер усредняет данные, строя универсальную модель.
Ключ к жизни
"Нам удалось создать модель бактериальной рибосомы с разрешением лучше трех ангстрем (ангстрем — одна десятимиллиардная доля метра. — Прим. ред.). Работа выполнялась при поддержке Российского научного фонда. Уровень вполне мировой для подобного рода объектов. А еще это первая структура рибосомы с околоатомным разрешением, полученная целиком в России при помощи криоэлектронной микроскопии. Такое разрешение позволило визуализировать антибиотик. Его размер относительно рибосомы можно представить как песчинку на булыжнике", — рассказывает эксперт.
Механизм действия большого количества антибиотиков основан на том, что они мешают рибосомам бактерий синтезировать белки, и патоген погибает. Криоэлектронная микроскопия визуализировала это на молекулярном уровне.
"Надеемся, дальнейшая работа поможет продвинуться в понимании механизма биосинтеза белка, а также разработке новых, более эффективных антибиотиков", — говорит Евгений Пичкур.
По его мнению, через пять-десять лет технологии достигнут того, что мы увидим динамичную картинку крохотного биологического объекта. Визуализация быстрых, хотя бы порядка миллисекунд, процессов — исключительно важный этап, для которого еще предстоит разработать соответствующие инструменты и подходы.
С помощью криогенного электронно-микроскопического комплекса получены данные о структуре нескольких белков и патогенных вирусов и макромолекул. Также исследователи начали пионерские работы в области изучения процессов в живых клетках — образование мельчайших кристаллов с участием ДНК.
По информации https://ria.ru/science/20180228/1515393537.html
Обозрение "Terra & Comp".
