Kryoelektronimikroskooppi paljastaa rautaa varastoivan onttoisen proteiinikompleksin, apoferritiinin, atomiset yksityiskohdat.
Paul Emsley/MRC Laboratory of Molecular Biology
Jos haluaa kartoittaa proteiinin pienimmätkin osat, on vain muutamia vaihtoehtoja: Voit houkutella miljoonia yksittäisiä proteiinimolekyylejä asettumaan kiteiksi ja analysoida niitä röntgenkristallografian avulla. Tai sitten voi jäädyttää kopiot proteiinista ja pommittaa niitä elektroneilla, mikä on alhaisemman resoluution menetelmä, jota kutsutaan kryoelektronimikroskopiaksi (kryo-EM). Nyt tutkijat ovat ensimmäistä kertaa terävöittäneet kryo-EM:n erottelukyvyn atomitasolle, minkä ansiosta he pystyvät määrittämään yksittäisten atomien sijainnit erilaisissa proteiineissa tarkkuudella, joka vetää vertoja röntgenkristallografian erottelukyvylle.
”Tämä on aivan uskomatonta”, sanoo Melanie Ohi, kryo-EM-asiantuntija Michiganin yliopistosta Ann Arborista. ”Tämän yksityiskohtaisuuden näkeminen on vain kaunista.” Koska kohonnut resoluutio paljastaa tarkalleen, miten monimutkaiset solukoneet hoitavat tehtäviään, kryo-EM:n parannusten pitäisi tuottaa lukemattomia uusia oivalluksia biologiaan.
Proteiinirakenteiden kartoittamiseen tutkijat ovat käyttäneet röntgenkristallografiaa 1950-luvun lopulta lähtien. Pommittamalla kiteytettyjä proteiineja röntgensäteillä ja analysoimalla sitä, miten röntgensäteet kimpoavat, tutkijat voivat selvittää proteiinin todennäköisen rakenteen ja muodon. Vuosikymmeniä jatkuneet parannukset röntgensäteissä, ilmaisimissa ja tietokoneissa ovat tehneet menetelmästä nopean ja tarkan. Lähestymistapa ei kuitenkaan toimi hyvin, kun proteiinit ovat poikkeuksellisen suuria, toimivat ribosomin kaltaisissa komplekseissa tai niitä ei voida kiteyttää, kuten monia solukalvoissa olevia proteiineja.
Sitä vastoin kryo-EM:ää käyttävät tutkijat ampuvat elektroneja kopioihin jäädytetyistä proteiineista, joita ei tarvitse kiteyttää; ilmaisimet tallentavat elektronien poikkeamat, ja kehittyneet ohjelmistot yhdistävät kuvat toisiinsa proteiinien rakenteen ja muodon selvittämiseksi. Japanilaiset tutkijat olivat aiemmin osoittaneet, että he pystyivät kaventamaan resoluution 1,54 angströmin tarkkuuteen – mikä ei aivan riitä erottamaan yksittäisiä atomeja – apoferritiini-nimisessä suolistoproteiinissa, joka sitoo ja varastoi rautaa. Nyt kaksi brittiläistä ja saksalaista tutkijaryhmää on elektronisuihkutekniikan, ilmaisimien ja ohjelmistojen parannusten avulla onnistunut kaventamaan erotuskyvyn 1,25 angströmeen tai parempaan, joka on tarpeeksi terävä yksittäisten atomien sijainnin selvittämiseksi, he raportoivat tänään Nature-lehdessä.
Suurentunut erottelukyky voi vauhdittaa siirtymistä kryo-EM:n käyttöön, joka on jo meneillään rakennebiologien keskuudessa. Toistaiseksi tekniikka toimii vain proteiineilla, jotka ovat epätavallisen jäykkiä. Seuraavaksi tutkijat pyrkivät saavuttamaan samanlaisen terävän resoluution vähemmän jäykillä, suurilla proteiinikomplekseilla, kuten spliceosomilla, joka on suuri proteiinien ja RNA-molekyylien kompleksi, joka leikkaa ”introneja” proteiineiksi muunnettavaksi tarkoitetusta RNA:sta.