Unser Körper ist voller Aktivität und voller Proteine, die in Fettmembranen stecken oder in wässrigen Zellen hinein- und herausschwimmen. Wissenschaftlern ist es nun erstmals gelungen, den Tanz zwischen beiden einzufangen: den flüssigen Tango von Proteinen und Lipiden, wie sie sich normalerweise in Zellen bewegen.
„Wir machen nicht nur einzelne Schnappschüsse, die Struktur, aber keine Dynamik verleihen, sondern erfassen kontinuierlich Moleküle im Wasser und ihren ursprünglichen Zustand.“ sagen Qian Chen, Materialwissenschaftler und Ingenieur an der University of Illinois Urbana-Champaign (UIUC), der das Team leitete und Beschreibt ihre Arbeit Wie „Filme machen“.
„Wir können wirklich sehen, wie Proteine ihre Konformation ändern und in diesem Fall, wie die selbstorganisierte Protein-Lipid-Struktur im Laufe der Zeit schwankt.“
Durch Optimierung einer weit verbreiteten Bildgebungstechnik namens TransmissionselektronenmikroskopChens Team hat bewegte Bilder von Membranprotein-„Nanoscheiben“ in Flüssigkeit aufgenommen. diese Nanoscheiben Sie bestehen aus Proteinen, die in einer Lipiddoppelschicht eingebettet sind, ähnlich den Zellmembranen, in denen sie normalerweise vorkommen.
Das Team nannte seine Methode „elektronische Videobildgebung“ und validierte die Videodaten, indem es sie mit Computermodellen auf atomarer Ebene verglich, die zeigen, wie sich Moleküle auf der Grundlage physikalischer Gesetze bewegen.
Es wurde angenommen, dass die Bewegung membrangebundener Proteine aufgrund der Art und Weise, wie Lipide sie an Ort und Stelle halten, etwas eingeschränkt sei. Allerdings stellten die Forscher fest, dass Wechselwirkungen zwischen Proteinen und Lipiden über viel größere Entfernungen stattfinden als bisher angenommen.
Membranproteine sind Zellwächter, Sensoren und Signalrezeptoren, daher könnte diese Technologie zu enormen Fortschritten in unserem Verständnis ihrer Funktionsweise führen.
Bei aktuellen Technologien werden Proteine normalerweise eingefroren oder kristallisiert, sodass sie sich nicht bewegen, das Bild verzerren oder durch die Röntgen- oder Elektronenstrahlen, mit denen sie abgebildet werden, beschädigt werden. Dies ergibt ein lebloses Bild eines festen Proteins, das sich normalerweise faltet und biegt, sodass Wissenschaftler anhand seiner Struktur ableiten können, wie es mit anderen Molekülen interagiert.
Alternativ verwenden einige bildgebende Verfahren eine fluoreszierende molekulare Markierung Verfolgen Sie Partikel, während sie sich bewegenAnstatt direkt auf das Protein zu achten.
In diesem Fall platzierten die Forscher einen Wassertropfen in zwei dünnen Graphenschichten, um sie vor dem Vakuum eines Elektronenmikroskops zu schützen. Im Wassertropfen hingen Nanoscheiben aus unmarkierten Proteinen und Lipiden, die das Team wie in ihrer natürlichen Wasserumgebung zusammen „tanzen“ sah.
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Materialwissenschaftler Du könntest es versuchen Mindestens zehn Jahre lang konnten die Aktivität biologischer Moleküle in Flüssigkeiten abbilden, waren jedoch nicht in der Lage, die laufende Proteindynamik klar zu beobachten.
Durch einige subtile Modifikationen dieses Ansatzes konnten Chen und seine Kollegen ihre Protein- und Lipidanordnungen in Echtzeit abbilden, für Minuten und nicht für Mikrosekunden. Wichtig ist, dass sie die Geschwindigkeit verlangsamten, mit der Elektronen in die Probe eindrangen und auf das Graphengerüst einwirkten, wodurch sie den Lipoproteinkomplex erfolgreich in Aktion abbildeten.
„Im Moment ist dies die einzige experimentelle Möglichkeit, diese Art von Bewegung im Zeitverlauf zu erfassen.“ sagen John Smith, ein Doktorand der Werkstofftechnik an der UIUC, ist der Erstautor dieser Arbeit.
„Das Leben ist fließend, es ist in Bewegung. Wir versuchen, auf experimentelle Weise den Feinheiten dieses Zusammenhangs auf den Grund zu gehen.“
Was andere Bemühungen betrifft, enthüllen verbesserte Bildgebungstechniken erstaunliche Details über alle Arten von mikroskopischen Ereignissen – von der Beobachtung, wie sich die äußere Hülle eines Virus bildet, bis hin zum Erkennen der Proteine, die bei Krankheiten wie Alzheimer zu Klumpen zerfallen.
Wenn man noch künstliche Intelligenz hinzufügt, die die 3D-Form fast aller der Wissenschaft bekannten Proteine vorhersagt, scheint es, als ob eine neue Ära der biologischen Forschung eröffnet wurde.
Die Forschung wurde veröffentlicht in Fortschritt der Wissenschaft.
