, 2021/10/12
A németországi Max Planck kutatói által kifejlesztett új technikával először lehet krio-elektronmikroszkópiával láthatóvá tenni a fehérjék egyes atomjait.
A krio-elektronmikroszkópia egyik döntő felbontási korlátját sikerült áttörni. A Max Planck Biofizikai Kémiai Intézet (MPI) tudósai most először figyeltek meg egyetlen atomot egy fehérjeszerkezetben, és készítették az eddigi legélesebb képeket ezzel a módszerrel. Az ilyen példátlan részletek elengedhetetlenek ahhoz, hogy megértsük, hogyan működnek a fehérjék a sejtekben, illetve hogyan okoznak betegségeket. A technikát a jövőben új gyógyszerek hatóanyagainak kifejlesztésére is fel lehetne használni.
A COVID-19 világjárvány kitörése óta a tudósok világszerte azon dolgoznak, hogy meghatározzák az új koronavírus fontos kulcsfehérjéinek 3D szerkezetét. Közös céljuk, hogy olyan aktív vegyület dokkolóhelyeket találjanak, amelyek képesek hatékonyan felvenni a harcot a kórokozóval. E molekulaszerkezetek meghatározásának egyik módszere a krio-elektronmikroszkópia (krio-EM), egy olyan korszerű technológia, amelynek fejlesztői nemrégiben kémiai Nobel-díjat kaptak.
Az eljárás során a molekulát gyorsan "lefagyasztják", majd elektronokkal bombázzák, hogy több ezer 2D-s vetületet készítsenek, amelyeket rétegenként egymásra helyezve és kombinálva 3D-s rekonstrukciót kapjanak. Holger Stark az MPI Szerkezetdinamikai Tanszékének professzora. Ő és csapata nemrégiben megdöntötte a krio-EM felbontás világrekordját egy általuk kifejlesztett egyedülálló mikroszkópos elrendezéssel.
Készülékünket két további elektron-optikai elemmel szereltük fel, hogy tovább javítsuk a képminőséget és a felbontást" - magyarázza Stark. "Ezek biztosítják, hogy az optikai lencsék képalkotási hibái, az úgynevezett aberrációk többé ne játsszanak szerepet. Doktori hallgatója, Ka Man Yip hozzáteszi: Az elektronmikroszkópok optikai műszerek, és fizikailag hasonlítanak egy kamerához.
Az elektronmikroszkóp aberrációi a krio-EM-ben ugyanúgy zavarnak, mint a fényképezőgépeké a fotográfiában. A sokkal jobb képminőség érdekében ezért kulcsfontosságú volt, hogy elkerüljük ezeket az aberrációs hibákat. Az új mikroszkóp lehetővé tette a tudósok számára, hogy több mint egymillió képet készítsenek az apoferritin nevű fehérjéről - 1,25 angström felbontással feltérképezve annak molekuláris szerkezetét.
Egy angström mindössze 0,1 nanométer (nm), azaz a milliméter tízmilliomod része. Most már láthatóvá tudjuk tenni a fehérje egyes atomjait - ez mérföldkő a területünkön - magyarázza Stark. Számunkra ez olyan volt, mintha szuper szemüveget tennénk a mikroszkópra. Az új szerkezet eddig soha nem látott részleteket tár fel. Még a hidrogénatomok sűrűségét és az egyatomos kémiai módosításokat is láthatjuk.
Ahhoz, hogy megértsük egy ember alkotta gép, például egy autómotor, egy űrrakéta vagy egy óra fogaskerekei belső működését, közvetlenül meg kell figyelnünk a különböző alkatrészeket munka közben. Ugyanez igaz a fehérjékre is, amelyek a természetes, élő sejtek "nanomotorjai". Ahhoz, hogy képet kapjunk arról, hogyan látják el feladataikat, ismernünk kell a fehérje összes atomjának pontos helyzetét.
A fehérjék szerkezetének ilyen példátlanul részletes megfigyelésére való képesség ezért jelentős előnyökkel jár majd az orvostudomány számára - például felgyorsítja a szerkezetalapú gyógyszertervezést, például olyan új vegyületekkel, amelyeket a legjobb és legpontosabb módon szabnak a vírusfehérjékhez való kötődéshez és a működésük blokkolásához.
A gátlás mögöttes mechanizmusának ismerete, valamint annak megismerése, hogy a vegyület és a vírusfehérje hogyan lép kölcsönhatásba atomi szinten, olyan újszerű felismerésekkel szolgálhat, amelyek segíthetnek a hatékonyabb, kevesebb mellékhatással járó gyógyszerek előállításában. A cryo-EM felbontási korlátjának áttörésével a technika mostanra elérte azt a szintet, ahol a gyógyszeripari fejlesztések számára közvetlenül láthatóvá válnak az előnyök.
A csapat szerint most már elképzelhető, hogy a krio-EM a jövőben még szubatomi felbontást is el fog érni. A legnagyobb felbontás közel tízszeres javulását már most is sikerült elérni 2000 óta. A következő évtizedekben tehát további nagyságrendi javulások tűnnek lehetségesnek.