Исследователи во главе с IRB Barcelona объединили генную инженерию, микроскопию сверхвысокого разрешения и биовычисления, чтобы увидеть в 3D белковый механизм внутри живых клеток
Опубликованное в журнале Cell исследование раскрывает ключевые функциональные особенности сборки белков, жизненно важных для животных и растений.
Сегодня ученые из Института исследований в области биомедицины (IRB Barcelona) представляют исследование в Cell, где им впервые удалось наблюдать белковые наномашины (также называемые белковыми комплексами) - структуры, ответственные за выполнение клеточных функций. время в живых клетках и в 3D. Эта работа была выполнена в сотрудничестве с исследователями из Женевского университета в Швейцарии и Центра Андалузской биологии дель Десарролло в Севилье.
В настоящее время биологи, изучающие функцию белковых наномашин, выделяют эти комплексы в пробирки, оторванные от клетки, а затем применяют методы in vitro, позволяющие наблюдать их структуру вплоть до атомарного уровня. В качестве альтернативы они используют методы, которые позволяют анализировать эти комплексы в живой клетке, но дают мало структурной информации. В этом исследовании ученым удалось непосредственно наблюдать за структурой белкового механизма в живых клетках, когда он выполняет свою функцию.
Доступные методы in vitro превосходны и позволяют нам проводить наблюдения на атомном уровне, но предоставляемая информация ограничена. Мы не узнаем, как работает двигатель, если разберем его и посмотрим только на отдельные части. Нам нужно увидеть, как двигатель собран в машине и работает. В биологии у нас до сих пор нет инструментов для наблюдения за внутренней работой живой клетки, но разработанная нами техника является шагом в правильном направлении, и теперь мы можем видеть в 3D, как белковые комплексы выполняют свои функции. функций», - объясняет Ориол Гальего, исследователь IRB Barcelona и координатор группы, проводившей это исследование, в котором также участвовала аспирантка Ирен Пазос.
Наблюдение за работой нанометрического оборудования
Новая стратегия объединяет методы микроскопии сверхвысокого разрешения - открытия, отмеченного Нобелевской премией по химии 2014 года, - клеточной инженерии и вычислительного моделирования. Эта технология позволяет нам наблюдать белковые комплексы с точностью до 5 нм, разрешение «в четыре раза лучше, чем у сверхвысокого разрешения, и это позволяет нам проводить исследования клеточной биологии, которые ранее были невозможны», - объясняет Гальего. (nm - миллионная часть миллиметра. Волос имеет ширину 100 000 нм)
Исследователи генетически модифицируют клетки, чтобы построить внутри них искусственные опоры, на которых они могут закреплять белковые комплексы. Эти опоры сконструированы таким образом, что позволяют регулировать угол обзора иммобилизованной наномашины. После этого, чтобы определить трехмерную структуру белкового комплекса, они используют методы сверхвысокого разрешения для измерения расстояний между различными компонентами, а затем интегрируют их в процесс, аналогичный тому, который используется в GPS..
Основные признаки экзоцитоза
Галлего использовал этот метод для изучения экзоцитоза, механизма, который клетка использует для связи с внешней средой клетки. Например, нейроны общаются друг с другом, высвобождая нейротрансмиттеры посредством экзоцитоза. Исследование позволило ученым раскрыть всю структуру ключевой наномашины экзоцитоза, которая до сих пор оставалась загадкой. «Теперь мы знаем, как работает этот механизм, состоящий из восьми белков, и для чего важен каждый белок. Эти знания помогут нам лучше понять участие экзоцитоза в раке и метастазировании - процессы, в которых изменяется этот наномеханизм», - объясняет он.
Новые исследования
Понимание того, как наномашины выполняют свои клеточные функции, имеет биомедицинские последствия, поскольку изменения во внутренней работе могут привести к развитию заболеваний. Имея в руках эту новую стратегию, можно будет изучать механизмы клеточных белков в норме и при заболеваниях. Например, можно было бы увидеть, как вирусы и бактерии используют белковые наномашины во время инфекции, и лучше понять дефекты в комплексах, которые приводят к заболеваниям, чтобы разработать новые терапевтические стратегии, которые обращают их вспять.
Технику можно использовать на относительно больших комплексах. «Возможность видеть белковые комплексы размером 5 нм - это большое достижение, но еще предстоит пройти долгий путь, чтобы иметь возможность наблюдать внутреннюю часть клетки в атомном масштабе, который позволили бы методы in vitro», - говорит Гальего.«Но, - продолжает он, - я думаю, что будущее за интеграцией различных методов и объединением силы каждого из них».
Более пяти лет Ориол Гальего разрабатывал этот проект в рамках программы молекулярной медицины IRB в Барселоне по контракту с Рамоном-и-Кахалем, заключенным Министерством экономики и конкурентоспособности, и этот контракт скоро закончится. Gallego уже организовала два исследовательских центра в Японии и Германии, чтобы больше узнать об интеграции методов микроскопии. «После этого я хотел бы продолжить исследования высшего уровня в Барселоне, и я надеюсь, что это исследование, опубликованное в Cell, поможет мне в этом», - комментирует молодой исследователь, специализирующийся на биологии белковых комплексов и разработка технологии, которая «делает невидимое видимым».