Резюме: команда ученых, включая исследователей из Национального синхротронного источника света II (NSLS-II) - офиса научного пользователя Министерства энергетики США (DOE) в Национальной лаборатории Брукхейвена - продемонстрировала новую методику визуализации белков в трехмерном пространстве с наноразмерным разрешением. Их работа, опубликованная в журнале Американского химического общества, позволяет исследователям определять точное местоположение белков в пределах отдельных клеток, достигая разрешения клеточной мембраны и наименьших субклеточных органелл.
Новая методика, разработанная Миллером и ее коллегами, похожа по стилю на традиционные методы флуоресцентной микроскопии в биологии, при которой молекула, называемая зеленым флуоресцентным белком (GFP), может быть прикреплена к другим белкам, чтобы выявить их местонахождение. Когда GFP подвергается воздействию ультрафиолета или видимого света, он флюоресцирует ярко-зеленым цветом, освещая "невидимый" белок в клетке.
"Используя GFP, мы можем видеть, если белок находится в субклеточных структурах, которые имеют сотни нанометров размера, как ядро или цитоплазма, - сказал Миллер, - но структуры, как клеточная мембрана, которая составляет всего от семи до десяти нанометров размера, трудно увидеть с видимым светом тегов, как GFP. Чтобы увидеть структуры размером 10 нанометров в ячейке, необходимо использование рентгеновских лучей".
Чтобы преодолеть эту проблему, исследователи NSLS-II объединились с учеными из Массачусетского технологического института (MIT) и Бостонского университета (BU), которые разработали рентгеновскую чувствительную метку, называемую меткой, связывающей лантаниды (LBT). LBT - это очень маленькие белки, которые могут плотно связываться с элементами серии лантаноидов, такими как эрбий и европий.
"В отличие от GFP, который флуоресцирует при воздействии УФ или видимого света, лантаниды флуоресцируют в присутствии рентгеновских лучей." сказал ведущий автор Тиффани Виктор (Tiffany Victor), научный сотрудник NSLS-II.
Исследователи из NSLS-II, MIT и BU совместно работали над тем, чтобы совместить технологию LBT с рентгеновской флуоресценцией.
"Несмотря на то, что LBT широко использовались в последнее десятилетие, они никогда не использовались для рентгенофлуоресцентных исследований", - сказал Миллер.
Помимо получения изображений более высокого разрешения, рентгеновская флуоресценция одновременно обеспечивает химические изображения всех микроэлементов в клетке, таких как кальций, калий, железо, медь и цинк. В других исследованиях команда Миллера изучает, как микроэлементы, такие как медь, связаны со смертью нейронов при таких заболеваниях, как болезнь Альцгеймера. Визуализация расположения этих элементов по отношению к конкретным белкам будет ключом к новым открытиям.
В дополнение к их совместимости с рентгеновскими лучами, LBTs также полезны для их сравнительно небольшого размера, по сравнению с видимыми световыми метками.
Чтобы продемонстрировать использование LBT для визуализации белков в 3-D с наноразмерным разрешением, исследователи в MIT и BU пометили два белка в бактериальной клетке - один цитоплазматический белок и один мембранный белок. Затем команда Миллера изучила образец на лучевой линии твердого рентгеновского нанозонда (HXN) в NSLS-II и лучевой линии бионанозонда в усовершенствованном источнике фотонов (APS) - в лаборатории DOE при Национальной лаборатории Аргонны.
Соединив непревзойденное разрешение HXN с возможностями LBT, команда смогла получить изображение обоих помеченных белков. Визуализация белка клеточной мембраны, доказавшего, что LBT можно увидеть с высоким разрешением, в то время как визуализация цитоплазматического белка показала, что LBT также можно визуализировать внутри клетки.
"При высоких концентрациях лантаниды токсичны для клеток, - сказал Виктор, - поэтому для нас было важно показать, что мы можем лечить клетки с очень низкой концентрацией лантанидов, которые не токсичны и достаточно существенны, чтобы пройти мимо клеточной мембраны и изобразить белки, которые мы хотели видеть".
Теперь, когда эта новая методика была успешно продемонстрирована, ученые надеются, что смогут использовать LBT для изображения других белков внутри клетки с разрешением 10 нанометров.