At fange molekylære dansebevægelser i slowmotion ved at tilføje hvid støj

I ekstrem slowmotion, et molekyle af medicin, der kommer ind i en cellereceptor, ville ligne en Soyuz-rumkapsel, der lægger til ved den internationale rumstation. Det ville bremse her, boost der; rotere, oversæt og derefter med et let stød, låse på plads.

I realtid, store molekyler interagerer med nanosekunders hastighed, praktisk talt øjeblikkeligt, gør dem næsten umulige at se. Men forskere er et skridt tættere på at være i stand til at observere deres bevægelser - play-by-play - takket være ny finjustering af et instrument i atomskala af ingeniører ved Georgia Institute of Technology.

Fremskridtet kunne en dag hjælpe forskere med at finde ud af, hvorfor nogle stoffer virker godt og andre mindre, og måle detaljer om livets virke ved deres rod.

Atomkræfter ses tydeligt

Forbedringen virker ved omhyggeligt at tilføje elektronisk hvid støj til en følesonde inde i et atomkraftmikroskop (AFM), som allerede er følsom nok til at detektere kræfter udøvet af interagerende molekyler, såsom proteinreceptorer og vitaminer. Men selv med disse evner på en nanometerskala, på en lille, men væsentlig måde, AFM kan være et stumpt instrument.

"Der er en manglende evne hos sonden til at prøve den dybeste del af interaktionen, " sagde forsker Todd Sulchek, en lektor ved Georgia Tech's School of Mechanical Engineering. "Du kan enten se, hvordan disse molekyler er bundet sammen eller ubundet. Det var enten sort eller hvidt, men nu lykkes det os at få forskellige grå nuancer."

Sulchek og kandidatforskerne Ahmad Haider og Daniel Potter offentliggjorde resultaterne af deres tekniske løsning i tidsskriftet Proceedings of the National Academy of Sciences Tidlig udgave i ugen den 21. november, 2016. Deres forskning blev finansieret af National Science Foundation.

Kegle, der vrikker med en cantilever

Molekyler har traktorbjælker, omend svage. De hiver i hinanden med en række svage kræfter, såsom van der Waals interaktioner, for det meste genereret gennem negative eller positive polariteter spredt rundt om molekylerne.

Atomkraftmikroskoper måler dem, der tiltrækker energier, ved at stikke en kegleformet sonde i nanoskala tæt på molekylerne for at mærke kræfterne ud, når de interagerer. Keglen er fastgjort til en cantilever, en fleksibel lille pind, og får den til at vrikke, da atomkræfterne trækker i keglen denne eller den måde.

Cantileveren overfører sitren ind i mikroskopet, hvilket gør det til et brugbart signal på samme måde som nålen på en pladespiller overfører vibrationer fra en plade, der skal konverteres til lyd. Det resulterende signal illustrerer, hvad der kaldes en energibrønd. Toppen af ​​brønden er det punkt, hvor klæbekræfterne er ved at tage fat, og bunden er et punkt om hvor molekylerne mødes.

Falder ind i energibrønden

Men når kræfterne trækker keglen og molekylerne, observerer den tættere på hinanden, på et tidspunkt, de går i bund og grund sammen, forhindrer en detaljeret måling af gradienten af ​​energi. Som resultat, når keglen nærmer sig de interagerende molekyler, forskere ser toppen af ​​energibrønden og slutningen af ​​interaktionen, men detaljerne i brøndens vægge, især dybt nede, hvor molekylerne interagerer tættest, undviger dem altid.

"Måden vi kom rundt om var, vi tilføjede simpelthen noget elektronisk støj på en veldefineret måde, og det gjorde det muligt for sonden at mærke interaktionen, når den stadig var relativt langt væk fra overfladen af ​​molekylerne, " sagde Sulchek. Den elektroniske vibration, kaldet øget stokastisk udsving, også fortyndet effekten af ​​de klæbekræfter, der ellers ville have snuppet cantilever og molekyler sammen.

"Det, jeg synes er pænt, er, at det er kontraintuitivt, fordi du normalt forsøger at fjerne støj fra dit system for at få mere nøjagtige målinger, men vi tilføjer støj, " sagde Sulchek. Forbedringen omgår potentiel bias produceret ved tilføjelse af støj ved at tillade forskere at tage flere prøver og længere. effektivt annullere virkningerne af støjen i de samlede data.

At tilføje noget støj kan lyde simpelt, men det tog Haider og Potter godt to år at finde ud af, hvordan det kunne fungere, og at lave kedelige justeringer af instrumenteringen.

Bakteriel skruestik greb ballet

Forskerne brugte interaktioner mellem cantileveren og et materiale kaldet glimmer for at afslutte udviklingen af ​​forbedringen. Glimmer har en forudsigelig form og ladning, god til benchmarking – det er meget glat. "Glimmer er atomisk fladt, " sagde Sulchek. "Det og grafit er omtrent de to fladeste overflader, du kan konstruere."

Nu, Sulcheks team tester den forbedrede cantilever i et biologisk scenario - et protein fra Streptomyces avidinii-bakterier, som æder vitaminet biotin op med en hævn. Proteinet, streptavidin, binder sig så tæt til biotin, at forskere almindeligvis bruger det til at studere molekylær adhæsion.

"Det er den stærkeste bio-interaktion kendt af videnskaben, " sagde Sulchek. Streptavidins skruestik giver en velstandardiseret testcase for den nyligt finjusterede enhed. "En klap åbner sig, og biotinen passer ind i den som en handske, " sagde Sulchek. "Vi vil se, om vi kan se, hvordan det sker og måle dets energibrønd."

Kræft, AIDS, autoimmun sygdom

Det sætter Sulchek tættere på sin drøm om et instrument til at øge eksperimentel biomolekylær forskning, og potentielt føre til indsigt, der er nyttig for medicin. "Jeg vil have et værktøj til at visualisere disse mellemtrin, " sagde han. "Jeg vil have et værktøj til at se de kortlivede tilstande."

Forskere kunne bruge et sådant forbedret værktøj til bedre at forstå autoimmune lidelser, immunterapi til behandling af kræft eller HIV's evne til at modvirke et antistofforsvar.

"Mange antistoffer har to bindingssteder, og det er der en grund til, men vi forstår endnu ikke hvorfor " sagde Sulchek. "Vi ved godt, at du ikke ønsker, at antistoffer interagerer for stærkt." Når de gør det, det kan resultere i autoimmune sygdomme.

"Der er en masse terapeutiske midler, der involverer antistoffer, og nogle fungerer godt; andre fungerer ikke godt, " sagde Sulchek. Antistoffer binder sig muligvis ikke optimalt til HIV, for eksempel, fordi de har svært ved at omslutte virussen.

Capturing the clumsy action in extreme slow motion could someday help biomedical researchers design a more effective antibody to further foil the virus.