Методика позволяет удобно и точно получать оптические изображения отдельных белков

Белки, которые часто считаются рабочими лошадками организма, являются одними из важнейших биомолекул, важных для жизненных процессов. Они обеспечивают структурную основу для клеток и тканей и выполняют головокружительный набор задач, от метаболизма энергии и помощи клеткам в общении друг с другом до защиты организма от патогенов и управления делением и ростом клеток.

Поскольку дисфункция белков связана со многими серьезными заболеваниями, белки являются основными мишенями для большинства терапевтических препаратов.

В новом исследовании Шаопэн Ван и его коллеги подробно описывают метод исследования белков. Для этого его группа умело использует явление, известное как поверхностный плазмонный резонанс (SPR), внедряя его в микроскоп нового типа.

Хотя SPR был мощным методом исследования мира очень маленьких, включая взаимодействия бактерий и вирусов, это исследование знаменует собой первый случай, когда SPR был успешно использован для визуализации отдельных молекул, в данном случае белков. Новый метод известен как микроскопия плазмонного рассеяния.

По словам Вана: «Гонка за разработкой этой технологии началась 20 лет назад». Вместе с ведущим автором NJ Tao * группа подсчитала, что модифицированная форма SPR должна обладать чувствительностью для разделения отдельных белков, хотя для того, чтобы это стало реальностью, потребовалась большая подготовительная работа.

Ван — научный сотрудник Центра биодизайна биоэлектроники и биосенсоров. Новое исследование опубликовано в расширенном онлайн-дополнении журнала Nature Methods . Пэнфэй Чжан, постдок в центре, является ведущим автором статьи.

Использование SPR позволяет исследователям исследовать динамику белков клеточной поверхности — основных мишеней для разработки лекарств — которые особенно сложно наблюдать с помощью рентгеновской кристаллографии или ЯМР-спектроскопии, двух традиционных методов, которые обычно используются для характеристики белков.

Но что такое поверхностный плазмон? «Одно из свойств металла состоит в том, что у него много свободных электронов», — говорит Ван, имея в виду электроны, не связанные с атомами. «Когда условия падающего света на эти электроны являются правильными, энергия света заставляет эти электроны резонировать. Эти колеблющиеся электроны создают волну на поверхности металла. Это поверхностный плазмонный резонанс».

Чтобы обнаружить связывание молекулы аналита (например, белка) с молекулой рецептора с помощью SPR, молекулу рецептора обычно иммобилизуют на поверхности сенсора, а молекулу аналита добавляют в водный раствор. Поляризованный свет обычно направляется под поверхность тонкой золотой пленки, где поверхностные плазмоны генерируются под определенным углом падающего света. Поверхностное удержание света поверхностным плазмоном рассматривается как уменьшение интенсивности отраженного света.

Когда белковые молекулы связываются с иммобилизованными рецепторными молекулами, показатель преломления на поверхности золота изменяется, изменяя состояние поверхностного плазмонного резонанса и вызывая увеличение интенсивности сигнала.

Чтобы уточнить и откалибровать систему, исследователи сначала наблюдали события связывания с использованием наночастиц полистирола, размер которых можно точно контролировать. Преимущество наночастиц также в том, что они создают более высокий контраст, что облегчает их обнаружение с помощью SPR. Использование все меньших и меньших наночастиц позволило группе достичь крошечных размеров биологического белка.

Чтобы достичь такого впечатляющего разрешения, исследователи использовали вариант метода SPR, обнаруживая свет на событиях связывания с белками сверху, а не снизу, что значительно устраняет фоновый шум, создавая четкое изображение. Поскольку связанные белки рассеивают свет SPR во всех направлениях, обнаружение сверху позволяет избежать отраженного света, что значительно улучшает качество изображения.

Ван сравнивает этот эффект со звездами на фоне темной завесы, в то время как звезды невидимы для глаз на шумном фоне дневного света. Обнаружение отдельных белков может быть реализовано без очень мощного источника света, поскольку SPR дает сильное усиление светового поля около поверхности датчика, делая сигнал белка более четким.

Сосредоточившись на аффинности связывания с белками, одном из ключевых параметров, имеющих решающее значение для разработки более безопасных и более эффективных лекарств, новый метод SPR должен иметь светлое будущее на биомедицинской арене, а также пролить новый свет на основополагающие проблемы на молекулярном уровне. .

* Нью-Джерси Тао руководил Центром биодизайна биоэлектроники и биосенсоров до своей неожиданной смерти в марте этого года. Он был ведущей фигурой в развитии методов наноразмерных измерений в таких областях, как молекулярная электроника, оптическая визуализация и биодатчики.