Elektronholografi af individuelle proteiner

Proteiner er livets redskaber. I fremtiden, forskere kan være i stand til at undersøge enkelte molekyler med en særlig skånsom metode for at bestemme, hvordan de er konstrueret, hvordan de udfører deres funktioner i celler, og hvordan de interagerer med potentielle stoffer. Dette er muligt takket være hologrammer af proteiner, for første gang, har produceret ved hjælp af meget langsomme elektroner af forskere ved universitetet i Zürich og Max Planck Institute for So lid State Research i Stuttgart.

At kende strukturen af ​​proteiner er ikke kun interessant for biologer, der ønsker at forstå, hvordan en organisme fungerer, men også for læger og farmakologer, der har brug for at vide, hvordan proteiner er opbygget, hvordan de interagerer med andre proteiner og mindre molekyler, og hvordan disse bindingssteder ændrer sig, efterhånden som proteinet udfører sine funktioner. Med denne viden, forskere kan udvikle medicinske lægemidler, der interagerer med proteinmaskineriet, når det nedbrydes, og vi bliver syge.

Evnen til at afbilde enkelte proteiner kunne være yderst nyttig:almindelige metoder som røntgenstrukturanalyse og kryo-elektronmikroskopi kræver krystaller af biomolekylerne eller en stor mængde af et protein. En mangel ved disse metoder er, at krystaller af mange proteiner er umulige at dyrke. I øvrigt, på grund af gennemsnittet, teknikkerne fejler ofte i at opdage forskelle mellem forskellige konformationer, dvs. strukturelle varianter, af biomolekylet. Alligevel er det netop disse variationer, der er vigtige i jagten på nye lægemidler, da proteiner antager forskellige konformationer, når de udfører deres funktioner.

Den oprindelige idé med holografi er nu virkelighed

"Vi har nu afbildet enkelte proteiner for første gang, siger Hans-Werner Fink, professor ved universitetet i Zürich og leder af forsøget. "Dette blev opnået ved at kombinere to metoder, der er unikke i den videnskabelige verden:elektronholografi og elektrospray-ionstråleaflejring, som gør det muligt at forberede prøver meget skånsomt." Ved at bruge denne kombination, forskerne har genereret hologrammer af cytokrom C, albumin og hæmoglobin. Da strukturerne af disse proteiner allerede er kendt, forskerne var i stand til at bruge dem til at bekræfte nøjagtigheden og anvendeligheden af ​​hologrammerne.

Til elektronholografi, forskerne i Hans-Werner Finks Zürich-baserede gruppe har udviklet et innovativt mikroskop, der udnytter elektronernes bølgeegenskaber. Mikroskopet udstråler lavenergielektroner gennem et protein og overlejrer de spredte elektroner med den del af elektronstrålen, der ikke har interageret med proteinet. Det resulterende interferensmønster, som kan optages med mikroskop, danner et hologram svarende til dem, der opnås ved optisk holografi. "Fordi elektronerne har meget lidt energi, der er meget få strålingsskader, selvom vi forestiller os et protein i timevis, i modsætning til andre strukturelle analysemetoder, " forklarer Hans-Werner Fink.

Med elektronholografimikroskopet, fysikeren har realiseret Dennis Gábors oprindelige idé. Da den ungarsk-britiske ingeniør opfandt holografien i 1947, han havde faktisk et forbedret elektronmikroskop i tankerne. Imidlertid, på det tidspunkt var der ingen egnede elektronkilder, så det, efter opfindelsen af ​​laseren, dette nye princip for optisk billeddannelse kunne kun omsættes i praksis med lys. Dennis Gábor modtog Nobelprisen i fysik i 1971. "Efter opfindelsen af ​​en ultraskarp elektronpunktkilde, som udsender elektroner med lignende egenskaber som et laserlys, vi indså endelig Dennis Gábors geniale idé med elektronbølger, siger Hans-Werner Fink.

Det gasformige protein anbringes forsigtigt på grafen

Imidlertid, at afbilde enkelte proteiner med elektronholografi, de schweiziske forskere havde stadig brug for et bæremateriale til proteinerne, der er gennemsigtigt for elektronbølger, samt en metode til at placere biomolekyler på det uden at forårsage skade. Grafen viste sig at være det bedst egnede materiale til bæreren. Forskere ved Max Planck Institute for Solid State Research fandt den bedste løsning til at afsætte proteiner på pladerne, der består af kulstoflag:elektrospray-ionstråleaflejring, som er udviklet af et team ledet af Stephan Rauschenbach i Klaus Kerns afdeling. Forskerne udsætter proteinopløsningen for en høj elektrisk spænding, så væsken er meget ladet. Elektrisk frastødning får derefter væsken til at forstøve til en fin tåge. Når tågedråberne udsættes for et vakuum, væsken fordamper og de opløste bestanddele, dvs. proteiner og urenheder, blive tilbage som gasser. Et massespektrometer sorterer derefter proteinerne efter deres masse-til-ladning-forhold og udskiller også urenheder.

"Vores metode gør det muligt at overføre enkelte biologiske molekyler ind i vakuumet og deponere dem på en overflade så skånsomt, at deres skrøbelige tredimensionelle foldede proteinstruktur bevares, " siger Stephan Rauschenbach. "Takket være forberedende massespektrometri, vi forhindrer også kontaminering af grafenprøverne med andre molekyler, hvilket er afgørende for kvaliteten af ​​det holografiske billede." Massespektrometri gør det også muligt at adskille proteinblandinger eller rene proteiner fra komplekser med bindingspartnere.

Information om samling af underenheder

Når Stephan Rauschenbach og hans kolleger har deponeret proteinerne på grafensubstraterne i Stuttgart, prøverne skal transporteres til Zürich, hvor det holografiske elektronmikroskop er placeret. Prøverne skal ankomme i uforurenet tilstand, hvilket betyder, at ingen andre molekyler kan få lov til at sætte sig på grafenen. For at transportere prøverne til Schweiz, forskerne har udviklet et tilfælde, hvor et ultrahøjt vakuum hersker, som i selve apparatet.

Ikke mindst takket være den omhyggelige pleje og renlighed, der blev observeret under forberedelsen og transporten af ​​prøverne, elektronhologrammer opnår allerede en opløsning på mindre end én nanometer. "Dette giver os mulighed for at undersøge, hvordan de individuelle underenheder af store proteinkomplekser er samlet, " siger Stephan Rauschenbach. De første hologrammer af enkeltproteiner giver også information om deres tredimensionelle struktur.

"Imidlertid, nøjagtigt at afbilde proteinstrukturer på atomniveau, vi skal stadig forbedre opløsningen noget, " forklarer Klaus Kern. ", Der er ingen fysiske hindringer, der forhindrer dette." et unikt præcisionslaboratorium er for nylig blevet bygget på Max Planck Instituttet i Stuttgart, som giver perfekte forhold for meget følsomme målinger såsom holografi. Dette laboratorium blev bygget på initiativ af Klaus Kern og er i øjeblikket guldstandarden for et lavvibrationsmålemiljø. Så snart elektronholografimikroskopet er blevet optimeret, biomedicinske forskere kan bruge dette nye instrument til at studere forviklingerne af, hvordan livets værktøjer fungerer.