Физики из Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) в Мюнхене разработали новый наноинструмент, который позволяет легко охарактеризовать механические свойства биомолекул.
Сталкиваясь с тысячами белков и генов, обнаруженных практически в каждой клетке тела, биологи хотят знать, как именно они работают: как они взаимодействуют, чтобы выполнять свои специфические функции, и как они реагируют и адаптируются к возмущения? Одним из решающих факторов во всех этих процессах является вопрос о том, как биомолекулы реагируют на мизерные силы, действующие на молекулярном уровне. Физики LMU во главе с профессором Тимом Лидлом в сотрудничестве с исследователями из Технического университета в Брауншвейге и Университета Регенсбурга разработали метод, который позволяет им прикладывать постоянную силу к одной макромолекуле с размерами в несколько нанометров и наблюдать за реакцией молекулы. Таким образом исследователи могут проверить, способен ли белок или ген нормально функционировать, когда его структура деформируется под действием сил, ожидаемых внутри клеток. Этот новый метод силовой спектроскопии использует самособирающиеся наноскопические измерители мощности, не требует макроскопических инструментов и может анализировать большое количество молекул параллельно, что значительно ускоряет процесс сбора данных.
С помощью своего нового подхода исследователи преодолели два основных ограничения наиболее часто используемых инструментов силовой спектроскопии. В случае силовой микроскопии и методик, основанных на оптическом или магнитном пинцете, исследуемые молекулы всегда напрямую связаны с макроскопическим преобразователем. Они требуют точного контроля положения объекта - сферы или острого металлического наконечника размером порядка микрометра, - который оказывает силу на молекулы, прикрепленные к этому объекту. Эта стратегия технически чрезвычайно требовательна, а полученные данные часто зашумлены. Более того, эти процедуры можно использовать только для исследования молекул по одной. Новый метод снимает все эти ограничения. «Структуры, которые мы используем, работают полностью автономно», - объясняет Филипп Никельс, член исследовательской группы Тима Лидла. «И мы можем использовать их для одновременного изучения бесчисленного количества молекул».
Легкое прикосновение
Члены мюнхенской группы, входящей в Cluster of Excellence NIM (Мюнхенская инициатива по наносистемам), являются признанными мастерами «ДНК-оригами». Эта методология использует свойства ДНК по спариванию оснований для построения наноструктур из цепей, которые сворачиваются и соединяются локально в порядке, определяемом их последовательностями нуклеотидов. В данном случае последовательности ДНК запрограммированы так, чтобы они взаимодействовали друг с другом таким образом, что конечная структура представляет собой молекулярный зажим, который можно запрограммировать на воздействие определенной силы на тестируемую молекулу. С этой целью одноцепочечная ДНК, содержащая специфическую последовательность, способную рекрутировать интересующую молекулу, перекидывается с одного плеча зажима на другое. Затем приложенную силу можно настроить, изменяя длину основания одной нити за основанием. «Это эквивалентно незначительному растяжению пружины», - говорит Никелс. Действительно, с помощью этого средства можно прикладывать чрезвычайно малые силы от 1 до 15 пН (1 пН=одна миллиардная часть ньютона), что по величине сравнимо с теми, которые действуют на белки и гены в клетках. «В принципе, с помощью этих зажимов мы можем захватывать биомолекулы любого типа и исследовать их физические свойства», - говорит Тим Лидл.
Эффект приложенной силы считывается с помощью феномена резонансной передачи энергии Фёрстера (FRET). «FRET включает передачу энергии между двумя флуоресцентными красителями и сильно зависит от расстояния между ними». объясняет профессор Филип Тиннефельд из Технического университета Брауншвейга. Когда сила, приложенная к тестовой молекуле, достаточна для ее деформации, расстояние между флуоресцентными маркерами изменяется, и величина переноса энергии служит чрезвычайно точной мерой искажения тестовой молекулы в нанометровом масштабе..
Вместе с Диной Грохманн из Университета Регенсбурга команда использовала новую технику для изучения свойств так называемого ТАТА-связывающего белка, важного генного регулятора, который связывается с определенной восходящей последовательностью нуклеотидов в генах и помогает вызвать их выражение. Они обнаружили, что белок ТАТА больше не может выполнять свою нормальную функцию, если его целевая последовательность подвергается воздействию силы более 6 пН. - Новая технология только что дебютировала. Но поскольку зажимы крошечные и работают автономно, вполне возможно, что в будущем их можно будет использовать для изучения молекулярных процессов в живых клетках в режиме реального времени.