Белки и молекулы естественным образом собираются и разбираются в ходе многих важных биологических процессов. Очень трудно наблюдать за этими механизмами, которые часто сложны и имеют место в нанометровом масштабе, что намного меньше нормального видимого диапазона. Однако в EPFL междисциплинарная группа исследователей изобрела и применила технику, которая позволяет исследовать эти механизмы с беспрецедентной точностью. Их работа является предметом статьи, опубликованной в журнале Nature Nanotechnology.
Нанометрические структуры можно увидеть только с помощью специальных микроскопов, таких как атомно-силовые микроскопы, которые были изобретены в середине 1980-х годов. Эти инструменты создают изображение, физически «чувствуя» топографию образца атомарно острым наконечником на конце крошечного кантилевера. Затем образец сканируется точка за точкой для создания изображения. Поскольку это требует времени, с помощью обычных атомно-силовых микроскопов можно получить изображения только статических образцов. Однако это бесполезно, когда ученые хотят изучить мельчайшие образцы, которые изменяются со временем, например белковые комплексы.
«Изменения необходимы для живой материи и, следовательно, имеют решающее значение для биологических процессов», - объясняет профессор Георг Фантнер, возглавляющий Лабораторию био- и нано-инструментов (LBNI) EPFL. «Поэтому было важно, чтобы мы нашли способ наблюдать за этим».
Для наблюдения за процессами на образце, которые изменяются во времени, необходимо увеличить скорость сканирования. Однако в традиционных быстрых атомных микроскопах силы, возникающие при измерении, могут мешать процессу молекулярной сборки, особенно потому, что сборки белков часто очень хрупкие. Исследователи EPFL нашли метод, который решил проблему, очень точно контролируя физическое взаимодействие острого наконечника с помощью импульсного лазерного излучения. Это значительно увеличило скорость сканирования, сохранив мягкое, но чрезвычайно точное движение сканирования.
2, 000 строк в секунду
«Мы достигли этого, используя в микроскопе два лазера, один из которых направлен на основание кантилевера, локально нагревая его и тем самым слегка изгибая», - говорит Адриан Нивергельт, аспирант LBNI и соавт. - первый автор статьи. «Изгибая кантилевер, мы можем исследовать поверхность намного быстрее, сохраняя при этом точный контроль над общим движением. Кроме того, мы улучшили общую производительность системы, что позволило нам сканировать до 2000 строк в секунду».
Исследователи протестировали эту новую технологию, чтобы проанализировать динамику формирования кольца белка SAS-6. Это семейство белков играет ключевую роль в сборке центриолей, которые представляют собой мельчайшие органеллы, консервативные от водорослей до человека, фундаментальные для клеточной подвижности и деления. Новый инструмент позволил исследователям впервые визуализировать различные этапы сборки колец белков SAS-6 в режиме реального времени. и соавтор исследования. «Теперь у нас, наконец, есть метод прямого наблюдения за тем, как этот важнейший клеточный компонент собирается в кольцевой полимер», - добавляет Никколо Бантерле, научный сотрудник лаборатории Гончи и соавтор исследования. «Это позволяет нам лучше понять, как природа контролирует сборку мельчайших строительных блоков жизни».
Это исследование является результатом сотрудничества между двумя организациями EPFL: Лабораторией био- и нано-инструментов (LBNI) и Лабораторией профессора Пьера Гонци в Швейцарском институте экспериментальных исследований рака (ISREC) в Школе наук о жизни.