Ångström-schaal optische microscopie ontcijfert conformationele toestanden van enkele membraaneiwitten

Ons opmerkelijke vermogen om complexe taken uit te voeren-zoals denken, observeren en aanraken-systemen van eiwitten, de kleine moleculen van nanometer-formaat in het lichaam. Ondanks decennia van onderzoek blijft ons begrip van de structuur en functie van dergelijke moleculaire machines in de cellulaire omgeving beperkt.

In een nieuw werk dat verscheen in De wetenschap vordertWetenschappers van het Max Planck Institute for the Science of Light (MPL) laten zien dat optische microscopie onder cryogene omstandigheden specifieke locaties binnen het mechanosensitieve eiwit piëzo1 met Ångström -precisie kunnen oplossen – zelfs binnen natieve celmembranen.

Traditioneel is eiwitstructuur onderzocht door methoden zoals röntgendiffractie en hoogwaardige elektronenmicroscopie. De eerste heeft een uitstekende resolutie, maar vereist dat eiwitten worden gekristalliseerd. De laatste methode kan worden uitgevoerd op het niveau van één eiwitten, maar het heeft een zwak contrast en presteert slecht wanneer het eiwit wordt omgeven door andere biomoleculen.

Optische microscopie van monsters die in hun nabije native toestand worden bewaard, vertegenwoordigt een veelbelovend alternatief omdat het Ångström -precisie kan bereiken. Dit wordt onderzocht door een team van de Nano-Optics Division onder leiding van MPL-directeur Prof. Vahid Sandoghdar. De methodologische doorbraak is vooral belangrijk voor het bestuderen van membraaneiwitten, die op het oppervlak van cellen zitten en fungeren als sensoren en communicators.

Een dergelijk eiwit, piëzo1, speelt een cruciale rol in aanraking en krachtgevoel bij zoogdieren. Eerdere studies met behulp van cryo-elektronenmicroscopie (cryo-EM) hebben aangetoond dat piëzo1, gereconstitueerd in een synthetisch membraan, een drievoudige, koepelachtige structuur vormt die het membraan buigt.

In het nieuwe werk tagde het onderzoeksteam het eiwit met fluorescerende markers en kon het zich in een bijna—–uuuige toestand in een celmembraan bij 8 K. tag.

“De belangrijkste innovatie was snel bevriezen in een vloeibaar cryogeen – een proces zo snel dat watermoleculen niet kristalliseren, waardoor de structuur van het eiwit intact hield”, aldus de eerste auteur, Dr. Hisham Mazal. Het schokbevoorbreide monster moest worden overgebracht naar een cryostaat die de microscoop huisvestte terwijl het ervoor zorgde dat het koud blijft en nooit wordt blootgesteld aan lucht.

“Om dit te bereiken, moesten we een uitgebreid apparaat bedenken en construeren, inclusief een cryogene optische microscoop en een speciale vacuüm shuttle,” zei prof. Sandoghdar.

Deze benadering behoudt niet alleen de natieve structuur van het eiwit en zijn omliggende membraan, maar het verlengt ook de levensduur van fluorescerende markers, zodat veel meer fotonen uit elk fluorescerend molecuul kunnen worden verzameld.

“Dit stelt ons in staat om de positie van elk molecuul te bepalen met een opmerkelijke precisie van slechts enkele Ångströms, overeenkomend met de diameter van enkele atomen,” vervolgde Sandoghdar.

Voor de toekomst is het team van plan deze techniek te combineren met cryo-EM met hoge resolutie. “Deze ontwikkeling opent een nieuwe grens in de structurele biologie en brengt ons een belangrijke stap dichter bij een kwantitatief begrip van de moleculaire machines van het leven,” benadrukte Dr. Mazal.