Первое измерение складки белков в воде на наномасштаб

Впервые исследователи успели измерить атрибутивные структуры складок, которые дают белкам их трехмерную форму в воде на наноуровне. Они достигли этого, улучшив технику, которую они помогли развиваться в недавнем прошлом.

Схема установки для фототермического индуцированного резонанса (ПТИР), которая включает в себя инфракрасный лазерный источник и атомную силу (AFM) с острым кончиком, который касается образца и вибрирует в ответ на вызванное светом расширение образца. PTIR может определить шаблон складывания (называемый, например, альфа-спираль, бета-лист) пептидов (аминокислотных цепей) в воде с разрешением нанометрового масштаба. (Image credit: NIST)

Методика, разработанная учеными из Национального института стандартов и технологий (NIST) и их сотрудников, поможет исследователям понять поведение биомолекул в водных средах, аналогичных тем, которые находятся в клетках. С другой стороны, эти идеи могут улучшить наши знания о серьезных заболеваниях, таких как болезнь Альцгеймера, которые связаны с «ошибками» в сгибании белка.

Жизнь, как известно, не может выжить, если белки не сбрасываются в правильные образцы, приводящие к листам, спирали и другим формам, которые дают белки их трехмерную структуру. Точные формы белков позволяют им переносить кислород, устранять вредные бактерии и выполнять другие важные задачи в организме. Неправильно сложенные белки не будут функционировать и иногда продуцируют токсичные фрагменты, например, связанные с нейродегенеративными нарушениями.

. Чтобы получить представление об утонченности складчатости, исследователи должны детально проанализировать расположение цепочек аминокислот, которые короче и проще по сравнению с белками, известными как пептиды, и как они складываются, собираются и вращаются, образуя диапазон форм или конформаций. Биологи выбирают исследование белков и пептидов, погруженных в воду, поскольку эта среда находится в близком приближении к условиям внутри живых клеток.

. Методы, такие как инфракрасная спектроскопия, разработанная ранее для определения конформации белков, не имеют тонкого пространственного разрешения для анализа крошечных и разнообразных сборок неправильно сформированных и правильно сложенных белков. Более того, эти методы плохо работают в водной среде, поскольку инфракрасный свет сильно поглощается водой, что препятствует анализу. Пионерский метод, называемый фото-термическим индуцированным резонансом (ПТИР), также сильно затруднялся присутствием воды. Недавно этот метод позволил ученым исследовать структуру и конформацию пептидов в воздухе при наномасштабном разрешении

В настоящее время ученые NIST и их сотрудники показали, что можно адаптировать PTIR для получения конформационной структуры в наномасштабе в воде с помощью двух химически подобных пептидов, называемых дифенилаланином и Boc-дифенилаланином. Дифенилаланин связан с бета-амилоидом, липким, более крупным пептидом, связанным с болезнью Альцгеймера.

PTIR – это мощный метод, который уже показал перспективу для изучения биологических систем, но возможность использовать его с образцами в жидкой среде значительно улучшит его использование в этой области.

Георг Рамер из NIST и Университета Мэриленда в Колледж-парке

Исследователь Рамер и NIST Андреа Центроне вместе со своими сотрудниками в Кембриджском университете в Англии сообщили об их исследовании в статье, недавно опубликованной в Интернете в ACS Nano .

PTIR устанавливает химический состав материалов при наноразмерном разрешении путем слияния атомно-силового микроскопа (AFM) со светом от инфракрасного лазера, работающего в диапазоне длин волн. Приписываемые длины волн инфракрасного света, которые поглощаются образцом, подобны молекулярному отпечатку пальца, раскрывая его химический состав. Материал нагревается в каждой точке образца, в котором поглощается инфракрасный луч, что позволяет быстро, но все же слегка расширяться. Острый наконечник АСМ, который выступает из кантилевера, обнаруживает расширение, которое осциллирует подобно дайверской доске каждый раз, когда образец расширяется. Количество света, поглощаемого образцом, прямо пропорционально его расширению, а также силе или амплитуде колебаний.

Хотя PTIR – эффективный метод, очень сложно использовать его в водной среде. Инфракрасный свет сильно поглощается водой, что приводит к сигналу поглощения, способному мешать усилиям по определению химической структуры образца. Кроме того, сила сопротивления, оказываемая водой, значительно сильнее по сравнению с силой на воздухе, и она обычно ослабляет сигнал PTIR за счет сильного затухания колебаний кантилевера АСМ.

Чтобы ограничить поглощение инфракрасного света водой, исследователи позиционировали призму между образцом и лазером. Функция призмы состоит в том, чтобы ограничить инфракрасное излучение поверхностью образца, тем самым уменьшив количество света, которое может просачиваться и взаимодействовать с водой. Чтобы преодолеть проблему демпфирования, они использовали лазер с возможностью работы на частотах до 2000 кГц. Это позволило ученым согласовать частоту лазерных импульсов с одной из более высоких частот, при которых кантилевер колеблется. Подобно тому, как толкание ребенка на качели только с правильным интервалом, согласование частоты улучшало амплитуду колебаний кантилевера, тем самым частично компенсируя затухание, вызванное водой.

Исследователи продемонстрировали точность своей методики, сравнив измерения PTIR дифенилаланина и других образцов пептидов в двух средах: воздухе и воде. (Так как пептиды сгибались одинаково в обеих средах, было легче провести сравнение). Удивительно, что исследователи выполнили аналогичное пространственное разрешение и контрастность в воздухе и воде, впервые продемонстрировав, что можно выполнить измерения в водной среды точным образом, демонстрируя точную конформацию пептидов с наноразмерным разрешением.

« Этот вывод важен для биологов, которые хотят понять структуру белка и складывать их в средах как можно ближе к клеткам », – заявил Сантрон

Source link