הולוגרפיה אלקטרונית של חלבונים בודדים

כוונות השלכה- איירסופט (יולי 2019).

Anonim

חלבונים הם כלי החיים. בעתיד, המדענים יוכלו לבחון מולקולות בודדות בשיטה עדינה במיוחד כדי לקבוע כיצד הן נבנות, כיצד הן מבצעות את התפקודים שלהן בתאים, וכיצד הן מתקשרות עם תרופות פוטנציאליות. זה אפשרי הודות ההולוגרמות של חלבונים, כי בפעם הראשונה, יצרו באמצעות אלקטרונים איטיים מאוד על ידי מדענים באוניברסיטת ציריך ומכון מקס פלאנק עבור כל כך מכסה מחקר המדינה בשטוטגרט.

ידיעת המבנה של חלבונים מעניינת לא רק את הביולוגים שרוצים להבין כיצד פועל האורגניזם, אלא גם לרופאים ולפרמקולוגים שצריכים לדעת כיצד נבנים חלבונים, כיצד הם מקיימים אינטראקציה עם חלבונים אחרים ומולקולות קטנות יותר, לשנות כמו חלבון מבצע את תפקידיו. עם הידע הזה, החוקרים יכולים לפתח תרופות רפואיות כי אינטראקציה עם מכונות חלבונים כאשר הוא נשבר ואנחנו לחלות.

היכולת חלבונים בודדים התמונה יכול להיות שימושי מאוד: שיטות נפוצות כגון ניתוח מבנה רנטגן ומיקרוסקופ אלקטרוני cryo דורשים גבישים של biomolecules או כמות גדולה של חלבון. מחסור בשיטות אלה הוא כי גבישים של חלבונים רבים הם בלתי אפשרי לגדול. יתר על כן, בשל הממוצע, טכניקות לעתים קרובות נכשלים לזהות הבדלים בין קונפורמציות שונות, כלומר וריאנטים מבניים, של ביומולקולה. עם זאת, דווקא וריאציות אלה החשובות בחיפוש אחר תרופות חדשות, כמו חלבונים להניח קונפורמיות שונות כאשר הם מבצעים את הפונקציות שלהם.

הרעיון המקורי של ההולוגרפיה הוא עכשיו המציאות

"כעת צילמנו חלבונים בודדים בפעם הראשונה", אומר האנס-ורנר פינק, פרופסור באוניברסיטת ציריך וראש הניסוי. "זה הושג על ידי שילוב של שתי שיטות ייחודיות בעולם המדעי: הולוגרפיה אלקטרונים בתצהיר קרן יון electrospray, המאפשר דגימות להיות מוכן בעדינות רבה." באמצעות שילוב זה, החוקרים יצרו הולוגרמות של ציטוכרום C, אלבומין והמוגלובין. כמו המבנים של חלבונים אלה ידועים כבר, החוקרים היו מסוגלים להשתמש בהם כדי לאשר את הדיוק ואת התועלת של ההולוגרמות.

עבור ההולוגרפיה האלקטרונית, החוקרים בקבוצת ה- Zurich מבוססי האנס-ורנר פינק פיתחו מיקרוסקופ חדשני המנצל את תכונות הגל של האלקטרונים. המיקרוסקופ מקרין אלקטרונים בעלי אנרגיה נמוכה באמצעות חלבון, ומכסה את האלקטרונים המפוזרים בחלק של קרן האלקטרונים שלא נקשר עם החלבון. דפוס ההפרעה שנוצר, אשר יכול להיות מוקלט על ידי המיקרוסקופ, יוצר הולוגרמה דומה לאלה שהושגו על ידי הולוגרפיה אופטי. "מכיוון שלאלקטרונים יש מעט מאוד אנרגיה, יש נזקי קרינה מועטים מאוד, גם אם אנחנו מדמייקים את החלבון במשך שעות, בניגוד לשיטות ניתוח מבניות אחרות", מסביר הנס-ורנר פינק.

בעזרת מיקרוסקופ האלקטרונים ההולוגרפי, הפיזיקאי הבין את הרעיון המקורי של דניס גאבור. כאשר המהנדס ההונגרי-בריטי המציא הולוגרפיה ב- 1947, היה לו למעשה מיקרוסקופ אלקטרוני משופר. עם זאת, בזמנו לא היו מקורות אלקטרונים מתאימים, כך, בעקבות המצאת הלייזר, זה עיקרון חדש של הדמיה אופטית יכול רק להיות מיושם עם אור. דניס גאבור זכה בפרס נובל לפיסיקה ב -1971. "לאחר המצאת מקור אלקטרונים חד-חד, שמייצר אלקטרונים בעלי מאפיינים דומים כמו אור לייזר, הבנו לבסוף את הרעיון המבריק של דניס גאבור בגלי אלקטרונים", אומר הנס- ורנר פינק.

חלבון גזי ממוקם בעדינות על גרפן

עם זאת, כדי חלבונים תמונה אחת עם הולוגרפיה אלקטרונים, החוקרים השוויצרי עדיין צריך חומר הספק עבור חלבונים שקוף גלים אלקטרונים כמו גם שיטה להציב biomolecules על זה בלי לגרום נזק. גרפן הוכיח שהוא החומר המתאים ביותר עבור המוביל. חוקרים ממכון מקס פלנק לחקר מצב מוצק מצאו את הפתרון הטוב ביותר להפקדת חלבונים על הסדינים המורכבים משכבות פחמן: תצהיר קרן אלקטרו-יון, שפותח על ידי צוות בראשותו של סטפן ראושנבאך במחלקה של קלאוס קרן. החוקרים חושפים את פתרון החלבון למתח חשמלי גבוה, כך שהנוזל טעון מאוד. הדחייה החשמלית גורמת לנוזל להתמזג לערפל דק. כאשר טיפות הערפל חשופות לחלל ריק, הנוזל מתנדף והרכיבים הממוססים, כלומר חלבונים וזיהומים, נשארים מאחור כמו גזים. ספקטרומטר מסה ואז למיין את החלבונים על פי יחסי ההמונים שלהם ל-תשלום וגם מפריד את זיהומים.

"השיטה שלנו מאפשרת להעביר מולקולות ביולוגיות בודדות אל תוך הוואקום ולהפקיד אותן על משטח כך בעדינות, שמבנה החלבונים השברירי התלת-ממדי השמור שלהן נשמר", אומר סטפן ראושנבאך. "בזכות ספקטרומטריית המסה ההכנה, אנחנו גם למנוע זיהום של דגימות גרפן עם מולקולות אחרות, אשר חיוני לאיכות התמונה ההולוגרפית." ספקטרומטריית מסה גם מאפשר להפריד תערובות חלבון או חלבונים טהורים מן מתחמי עם שותפים מחייב.

מידע על הרכבה של יחידות משנה

לאחר שסטפן ראושנבאך ועמיתיו הפקידו את החלבונים על מצעי הגרפן בשטוטגרט, יש להעביר את הדגימות לציריך, שם נמצא המיקרוסקופ ההולוגרפי של האלקטרונים. הדגימות צריכות להגיע למצב לא מזוהם, כלומר, לא ניתן לאפשר למולקולות אחרות להתיישב על הגראפן. כדי להעביר את הדגימות לשווייץ, פיתחו החוקרים מקרה שבו חלל גבוה במיוחד, כמו במנגנון עצמו.

תודה לא פחות על טיפול קפדני וניקיון שנצפו במהלך ההכנה וההובלה של דגימות, הולוגרמות אלקטרונים כבר להשיג רזולוציה של פחות ננומטר אחד. "זה מאפשר לנו לחקור כיצד מתאחדות תת-יחידות יחידים של קומפלקסים גדולים של חלבון", אומר סטפן ראושנבאך. ההולוגרמות הראשונות של חלבונים בודדים מספקות גם מידע על המבנה התלת-ממדי שלהן.

"עם זאת, כדי למדו במדויק מבנים חלבון ברמה האטומית, אנחנו עדיין צריכים לשפר את ההחלטה קצת", מסביר קלאוס קרן. "אין מכשולים פיזיים המונעים זאת". המדענים מבוססי ציריך וסטוטגארט מתכננים עכשיו לבנות מיקרוסקופ שבו התנודות של החלבונים מדוכאות על ידי קירור הדגימות לסביבות מינוס 200 מעלות צלסיוס. בנוסף, מעבדה דיוק ייחודי הוקם לאחרונה במכון מקס פלנק בשטוטגרט, אשר מציעה תנאים מושלמים למדידות רגישות כגון הולוגרפיה. מעבדה זו נבנתה על היוזמה של קלאוס קרן, וכיום היא תקן הזהב עבור סביבת מדידה נמוכה רטט. ברגע מיקרוסקופ אלקטרונים הולוגרפיה כבר אופטימיזציה, מדענים ביו יכול להשתמש במכשיר החדש הזה כדי ללמוד את המורכבות של איך כלי החיים לתפקד.

menu
menu