Долгие десятилетия высокоточные методы визуализации, такие как крио-электронная микроскопия и рентгеновская кристаллография, позволяли изучать статичные структуры белков, тогда как их функциональность напрямую зависит от динамических структурных изменений.
Учёные из University of Chicago, Argonne National Laboratory и Harvard University совместными усилиями разработали метод, который позволяет получать экспериментальные видео, демонстрирующие изменения в строении белков в режиме реального времени.
Методика Electric‐Field Stimulated Time‑Resolved X‑Ray Crystallography (EFX) сочетает воздействие электрического поля с рентгеновской кристаллографией с высоким временным разрешением, благодаря чему фиксируются последовательные изменения структуры белка. Демонстрационный эксперимент на калиевом канале – клеточной системе, отвечающей за регуляцию транспортировки калиевых ионов – показал, как применение электрического поля инициирует поток ионов, визуально подтверждая динамику процесса за несколько наносекунд и интегрируя знания, накопленные за 25 лет исследований.
Результаты исследования опубликованы в журнале Cell, что подчеркивает научную значимость метода. Новая технология предоставляет возможность наблюдать белковую динамику напрямую, обходя ранее используемые трудоемкие методы, такие как внесение генетических мутаций для управления работой каналов.
Рама Ранганатан, доктор философии, Joseph Regenstein Professor в кафедре биохимии и молекулярной биологии Pritzker School of Molecular Engineering, University of Chicago, возглавил данное исследование. Он начал работу по стимулированию движения белков посредством электрического поля ещё в University of Texas SouthweStеrn Medical Center, в 2016 году опубликовал первичные результаты в Nature, а в 2017 году возглавил BioCARS, использующий передовые технологии Advanced Photon Source на Argonne National Laboratory. «Фундаментальная проблема заключалась в том, что раньше не существовало простых методов для наблюдения белков в движении, поскольку они чрезвычайно малы и движутся очень быстро. Будущее структурной биологии — в изучении динамики молекул, и достигнутый результат представляет собой технологию, приближающую нас к этой цели», — отметил он. Доеке Хекстра, доктор философии и ассоциированный профессор молекулярной и клеточной биологии и прикладной физики в Harvard University, продолжил исследования после работы в лаборатории Ранганатана, внесший неоценимый вклад в развитие методики.
В эксперименте кристаллизованный белок помещают в поток рентгеновских лучей, которые, рассеиваясь, образуют характерные узоры, позволяющие восстановить трёхмерную структуру молекулы. Непрерывная фиксация последовательных изображений отражает динамический процесс трансформации белка, образуя «волшебный эксперимент», которого ожидали многие годы.
Особое внимание уделено калиевому каналу, выполнение функции которого критически важно для клеточных процессов. Применение электрического поля активирует канал, вызывая перемещение ионов через его пору, что позволяет зафиксировать и визуализировать динамику процесса в пределах нескольких наносекунд, интегрируя знания, накопленные за десятилетия исследований.
Развитие методики EFX открывает перспективы для интеграции экспериментальных данных с компьютерными моделями в области инженерии белков. Ранаганатан, активно использующий искусственный интеллект в биотехнологической компании Evozyne, сочетает полученные видеоданные с моделями, основанными на миллионов лет эволюционного опыта, с целью создания новых белков для разработки антител при лечении заболеваний и разработки систем для улавливания углерода и сокращения промышленных выбросов. Такой симбиоз экспериментальных наблюдений и вычислительных предсказаний закладывает основу для формирования обширной базы данных, способной значительно повысить точность прогнозирования белковой динамики.
Изображение носит иллюстративный характер
Учёные из University of Chicago, Argonne National Laboratory и Harvard University совместными усилиями разработали метод, который позволяет получать экспериментальные видео, демонстрирующие изменения в строении белков в режиме реального времени.
Методика Electric‐Field Stimulated Time‑Resolved X‑Ray Crystallography (EFX) сочетает воздействие электрического поля с рентгеновской кристаллографией с высоким временным разрешением, благодаря чему фиксируются последовательные изменения структуры белка. Демонстрационный эксперимент на калиевом канале – клеточной системе, отвечающей за регуляцию транспортировки калиевых ионов – показал, как применение электрического поля инициирует поток ионов, визуально подтверждая динамику процесса за несколько наносекунд и интегрируя знания, накопленные за 25 лет исследований.
Результаты исследования опубликованы в журнале Cell, что подчеркивает научную значимость метода. Новая технология предоставляет возможность наблюдать белковую динамику напрямую, обходя ранее используемые трудоемкие методы, такие как внесение генетических мутаций для управления работой каналов.
Рама Ранганатан, доктор философии, Joseph Regenstein Professor в кафедре биохимии и молекулярной биологии Pritzker School of Molecular Engineering, University of Chicago, возглавил данное исследование. Он начал работу по стимулированию движения белков посредством электрического поля ещё в University of Texas SouthweStеrn Medical Center, в 2016 году опубликовал первичные результаты в Nature, а в 2017 году возглавил BioCARS, использующий передовые технологии Advanced Photon Source на Argonne National Laboratory. «Фундаментальная проблема заключалась в том, что раньше не существовало простых методов для наблюдения белков в движении, поскольку они чрезвычайно малы и движутся очень быстро. Будущее структурной биологии — в изучении динамики молекул, и достигнутый результат представляет собой технологию, приближающую нас к этой цели», — отметил он. Доеке Хекстра, доктор философии и ассоциированный профессор молекулярной и клеточной биологии и прикладной физики в Harvard University, продолжил исследования после работы в лаборатории Ранганатана, внесший неоценимый вклад в развитие методики.
В эксперименте кристаллизованный белок помещают в поток рентгеновских лучей, которые, рассеиваясь, образуют характерные узоры, позволяющие восстановить трёхмерную структуру молекулы. Непрерывная фиксация последовательных изображений отражает динамический процесс трансформации белка, образуя «волшебный эксперимент», которого ожидали многие годы.
Особое внимание уделено калиевому каналу, выполнение функции которого критически важно для клеточных процессов. Применение электрического поля активирует канал, вызывая перемещение ионов через его пору, что позволяет зафиксировать и визуализировать динамику процесса в пределах нескольких наносекунд, интегрируя знания, накопленные за десятилетия исследований.
Развитие методики EFX открывает перспективы для интеграции экспериментальных данных с компьютерными моделями в области инженерии белков. Ранаганатан, активно использующий искусственный интеллект в биотехнологической компании Evozyne, сочетает полученные видеоданные с моделями, основанными на миллионов лет эволюционного опыта, с целью создания новых белков для разработки антител при лечении заболеваний и разработки систем для улавливания углерода и сокращения промышленных выбросов. Такой симбиоз экспериментальных наблюдений и вычислительных предсказаний закладывает основу для формирования обширной базы данных, способной значительно повысить точность прогнозирования белковой динамики.
