Рентгеновский лазер позволил заглянуть внутрь клетки и увидеть движение белков

Международная группа учёных с помощью самого мощного в мире рентгеновского лазера European XFEL впервые детально визуализировала, как белки перемещаются внутри плотной среды живой клетки. Исследование выявило неожиданный феномен «клетки», который может иметь значение для медицины и нанотехнологий.

Визуализация диффузии белка с помощью метода MHz-XPCS. Автор: Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-66972-6

Внутри биологических клеток царит невероятная теснота: миллионы белков движутся, сталкиваются и временно накапливаются, при этом им необходимо быстро выполнять свои функции. До сих пор детально отследить это движение было практически невозможно.

Команда под руководством Аниты Джирелли и Фивоса Перакиса из Стокгольмского университета использовала рентгеновский лазер European XFEL в Шенефельде (Германия), чтобы заглянуть в этот микромир. Объектом изучения стал ферритин — сферический белок, который хранит железо и присутствует почти во всех живых организмах.

Молекулы в «клетке»

Оказалось, что в высоких концентрациях ферритин ведёт себя необычно. Вместо равномерного и случайного движения (классическое броуновское движение) белок периодически оказывается в своеобразной молекулярной «клетке»: его блокируют соседние белки, и лишь через короткое время он освобождается и продолжает путь.

Снимки каждую микросекунду

Для визуализации этих крошечных перемещений учёные применили новую методику — мегагерцовую рентгеновскую фотонную корреляционную спектроскопию (MHz-XPCS).

Исследователи размещают капилляры с раствором ферритина перед детектором на станции MID в European XFEL. Автор: Мишель Даргаш.

«С помощью сверхбыстрых рентгеновских вспышек от European XFEL мы можем измерить, как белки движутся всего за миллионную долю секунды», — объясняет Йоханнес Мёллер, учёный с инструмента MID в European XFEL.

Этот метод закрывает пробел между такими устоявшимися методами, как светорассеяние или ядерный магнитный резонанс, которые не могут обеспечить подобную точность и скорость.

Неожиданные открытия и практические последствия

Наблюдения показали, что чем плотнее среда, тем более выраженным становится феномен «клетки». «Белки движутся не просто медленнее, а сложным, необычно ограниченным образом», — говорит Анита Джирелли.

Эти открытия имеют практическое значение. Ферритин уже исследуется как средство доставки лекарств, когда препараты помещаются внутрь белковой оболочки для замедленного высвобождения в организме. Скорость диффузии белков напрямую влияет на эффективность такой терапии. Также ферритин рассматривается как контрастное вещество для МРТ и как строительный блок для наноматериалов.

Исследование проводилось в рамках долгосрочного проекта на инструменте MID с участием университетов Зигена и Тюбингена, Технического университета Дортмунда, Европейского синхротронного центра ESRF, Института Лауэ-Ланжевена (ILL) и Немецкого синхротронного центра DESY.

Дополнительная информация: Anita Girelli et al, Coherent X-rays reveal anomalous molecular diffusion and cage effects in crowded protein solutions, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-66972-6