Kryo-elektronmikroskopi afslører de atomare detaljer i apoferritin, et hult, sfærisk formet proteinkompleks, der lagrer jern.
Paul Emsley/MRC Laboratory of Molecular Biology
Hvis man ønsker at kortlægge de mindste dele af et protein, har man kun få muligheder: Man kan lokke millioner af individuelle proteinmolekyler til at blive samlet i krystaller og analysere dem ved hjælp af røntgenkrystallografi. Eller man kan lynfryse kopier af proteinet og bombardere dem med elektroner, en metode med lavere opløsning, der kaldes kryo-elektronmikroskopi (cryo-EM). Nu har forskerne for første gang skærpet cryo-EM’s opløsning til det atomare niveau, så de nu kan bestemme de enkelte atomers positioner i en række proteiner med en opløsning, der kan konkurrere med røntgenkrystallografiens.
“Det er helt utroligt,” siger Melanie Ohi, cryo-EM-ekspert ved University of Michigan, Ann Arbor. “Det er bare smukt at se denne detaljeringsgrad.” Fordi den øgede opløsning afslører præcis, hvordan komplekse cellemaskiner udfører deres arbejde, bør forbedringer inden for cryo-EM give utallige nye indsigter i biologien.
For at kortlægge proteinstrukturer har forskere brugt røntgenkrystallografi siden slutningen af 1950’erne. Ved at bombardere krystalliserede proteiner med røntgenstråler og analysere den måde, hvorpå røntgenstrålerne preller af, kan forskerne regne ud, hvordan et protein sandsynligvis er opbygget og har form. Årtiers forbedringer af røntgenstråler, detektorer og computerkraft har gjort denne metode hurtig og præcis. Men metoden fungerer ikke godt, når proteinerne er usædvanligt store, arbejder i komplekser som f.eks. ribosomer eller ikke kan krystalliseres, som det er tilfældet med mange proteiner, der sidder i cellemembraner.
I modsætning hertil affyrer forskere, der anvender cryo-EM, elektroner mod kopier af frosne proteiner, som ikke behøver at være krystalliserede; detektorer registrerer elektronernes afbøjninger, og sofistikeret software samler billederne for at regne proteinerne ud og finde frem til deres sammensætning og form. Forskere i Japan havde tidligere vist, at de kunne indsnævre opløsningen til 1,54 angström – ikke helt til det punkt, hvor de kunne skelne de enkelte atomer – i et tarmprotein kaldet apoferritin, som binder og lagrer jern. Nu har to grupper af forskere fra Storbritannien og Tyskland ved hjælp af forbedringer i elektronstråle-teknologi, detektorer og software indsnævret opløsningen til 1,25 angstromer eller bedre, hvilket er skarpt nok til at udregne de enkelte atomers position, rapporterer de i dag i Nature.
Den forbedrede opløsning kan fremskynde et skift til cryo-EM, der allerede er i gang blandt strukturbiologer. Indtil videre fungerer teknikken kun med proteiner, der er usædvanligt stive. Forskerne vil dernæst stræbe efter at opnå en lignende skarp opløsning med mindre stive, store proteinkomplekser som f.eks. spliceosomet, et stort kompleks af proteiner og RNA-molekyler, der skærer “introner” ud af RNA, som skal omdannes til proteiner.