Оптическая микроскопия с ангстремным разрешением раскрыла конформационные состояния мембранных белков

Флуоресцентное изображение PIEZO1 в нативной клеточной мембране (слева) и художественное представление его конформационных состояний, разрешенных с ангстремной точностью (справа). Автор: Хишам Мазаль

Наша удивительная способность выполнять сложные задачи — такие как мышление, наблюдение и осязание — происходит от белков, крошечных нанометровых молекул в организме. Несмотря на десятилетия исследований, наше понимание структуры и функции таких молекулярных машин в клеточной среде остается ограниченным.

В новой работе, опубликованной в Science Advances, ученые из Института Макса Планка по науке о свете (MPL) показали, что оптическая микроскопия в криогенных условиях может разрешать специфические участки внутри механочувствительного белка PIEZO1 с ангстремной точностью — даже в нативных клеточных мембранах.

Традиционно структуру белка исследовали методами рентгеновской дифракции и современной электронной микроскопии. Первый метод обладает превосходным разрешением, но требует кристаллизации белков. Второй метод можно проводить на уровне отдельных белков, но он имеет слабый контраст и плохо работает, когда белок окружен другими биомолекулами.

Оптическая микроскопия образцов, сохраненных в близком к нативному состоянию, представляет собой многообещающую альтернативу, поскольку может достигать ангстремной точности. Эту методику исследует команда из отдела нанооптики под руководством директора MPL профессора Вахида Сандогдара. Методологический прорыв особенно важен для изучения мембранных белков, которые находятся на поверхности клеток и действуют как сенсоры и коммуникаторы.

Один из таких белков, PIEZO1, играет ключевую роль в осязании и восприятии силы у млекопитающих. Предыдущие исследования с использованием криоэлектронной микроскопии (крио-ЭМ) показали, что PIEZO1, реконструированный в синтетической мембране, образует трехлопастную куполообразную структуру, которая изгибает мембрану.

В новой работе исследовательская группа пометила белок флуоресцентными маркерами и смогла визуализировать его в близком к нативному состоянию в клеточной мембране при температуре 8 К. Эксперимент позволил команде выявить несколько различных конфигураций лопастей PIEZO1, проливая свет на то, как белок изгибается и расширяется в ответ на механические стимулы.

«Ключевым нововведением была быстрая заморозка в жидком криогене — процесс настолько быстрый, что молекулы воды не кристаллизуются, сохраняя структуру белка неповрежденной», — заявил первый автор, доктор Хишам Мазаль. Шоково-замороженный образец пришлось перенести в криостат, в котором размещался микроскоп, следя за тем, чтобы он оставался холодным и никогда не подвергался воздействию воздуха.

«Для достижения этого нам пришлось разработать и построить сложный аппарат, включая криогенный оптический микроскоп и специальный вакуумный шлюз», — сказал профессор Сандогдар.

Этот подход не только сохраняет нативную структуру белка и окружающей его мембраны, но и значительно продлевает срок службы флуоресцентных маркеров, так что от каждой флуоресцентной молекулы можно собрать гораздо больше фотонов.

«Это позволяет нам определять положение каждой молекулы с замечательной точностью всего в несколько ангстрем, что соответствует диаметру нескольких атомов», — продолжил Сандогдар.

В будущем команда планирует объединить эту технику с высокоразрешающей крио-ЭМ. «Эта разработка открывает новую границу в структурной биологии и приближает нас на важный шаг к количественному пониманию молекулярной машинерии жизни», — подчеркнул доктор Мазаль.

Больше информации: Хишам Мазаль и др., Крио-световая микроскопия с ангстремной точностью расшифровывает структурные конформации PIEZO1 в его нативном состоянии, Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adw4402

Источник: Институт Макса Планка по науке о свете