Kryoelektronmikroskopi avslöjar de atomära detaljerna hos apoferritin, ett ihåligt, sfäriskt format proteinkomplex som lagrar järn.
Paul Emsley/MRC Laboratory of Molecular Biology
Om man vill kartlägga de minsta delarna av ett protein har man bara några få alternativ: Du kan få miljontals enskilda proteinmolekyler att anpassa sig till kristaller och analysera dem med hjälp av röntgenkristallografi. Eller så kan man frysa kopior av proteinet och bombardera dem med elektroner, en metod med lägre upplösning som kallas kryoelektronmikroskopi (kryo-EM). Nu har forskarna för första gången skärpt cryo-EM:s upplösning till atomnivå, vilket gör det möjligt för dem att fastställa enskilda atomers positioner i en mängd olika proteiner med en upplösning som kan mäta sig med röntgenkristallografins.
”Det här är helt otroligt”, säger Melanie Ohi, expert på cryo-EM vid University of Michigan, Ann Arbor. ”Att se den här detaljnivån är helt enkelt vackert.” Eftersom den högre upplösningen avslöjar exakt hur komplexa cellmaskiner utför sitt arbete bör förbättringar av cryo-EM ge otaliga nya insikter i biologin.
För att kartlägga proteinstrukturer har forskare använt sig av röntgenkristallografi sedan slutet av 1950-talet. Genom att bombardera kristalliserade proteiner med röntgenstrålar och analysera hur röntgenstrålarna studsar tillbaka kan forskarna räkna ut ett proteins troliga sammansättning och form. Decennier av förbättringar av röntgenstrålar, detektorer och datorkraft har gjort metoden snabb och exakt. Men metoden fungerar inte bra när proteiner är exceptionellt stora, arbetar i komplex som ribosomen eller inte kan kristalliseras, vilket är fallet med många proteiner som sitter i cellmembranen.
Däremot avfyrar forskare som använder kryo-EM elektroner mot kopior av frysta proteiner som inte behöver vara kristalliserade. Detektorer registrerar elektronernas avböjningar och sofistikerad programvara sammanställer bilderna för att räkna ut proteinernas sammansättning och form. Forskare i Japan hade tidigare visat att de kunde minska upplösningen till 1,54 angströmmar – inte riktigt nå den punkt där de kunde urskilja enskilda atomer – i ett tarmprotein som kallas apoferritin, som binder och lagrar järn. Nu har två forskargrupper från Storbritannien och Tyskland, med hjälp av förbättringar av elektronstråle-teknik, detektorer och mjukvara, minskat upplösningen till 1,25 angström eller bättre, vilket är tillräckligt skarpt för att kunna räkna ut enskilda atomers position, rapporterar de idag i Nature.
Den förbättrade upplösningen skulle kunna påskynda den övergång till kryo-EM som redan pågår bland strukturbiologer. För närvarande fungerar tekniken endast med proteiner som är ovanligt styva. Därefter kommer forskarna att sträva efter att uppnå en liknande skarp upplösning med mindre styva, stora proteinkomplex, såsom spliceosomen, ett stort komplex av proteiner och RNA-molekyler som skär ut ”introner” från RNA som är avsett att omvandlas till proteiner.