U prvoj demonstraciji „elektronske videoografije“, istraživači su snimili mikroskopsku pokretnu sliku delikatnog plesa između proteina i lipida koji se nalaze u ćelijskim membranama. Tehnika se može koristiti za proučavanje dinamike drugih biomolekula, oslobađajući se ograničenja koja imaju ograničenu mikroskopiju na nepokretne slike fiksnih molekula, kažu istraživači i saradnici Univerziteta Ilinois Urbana-Champaign na Tehnološkom institutu Džordžije.
„Mi idemo dalje od uzimanja pojedinačnih snimaka, koji daju strukturu, ali ne i dinamiku, do kontinuiranog snimanja molekula u vodi, njihovog izvornog stanja“, rekao je vođa studije Ćian Čen, profesor nauke o materijalima i inženjeringa iz Ilinoisa. „Zaista možemo videti kako proteini menjaju svoju konfiguraciju i, u ovom slučaju, kako cela struktura proteina i lipida fluktuira tokom vremena.“
Istraživači su objavili svoju tehniku i nalaze u časopisu Science Advances.
Tehnike elektronske mikroskopije slikaju na molekularnoj ili atomskoj skali, dajući detaljne slike u nanometarskoj skali. Međutim, oni se često oslanjaju na uzorke koji su zamrznuti ili fiksirani na mestu, ostavljajući naučnicima da pokušaju da zaključe kako se molekuli kreću i međusobno deluju – poput pokušaja da mapiraju koreografiju plesne sekvence iz jednog kadra filma.
„Ovo je prvi put da posmatramo protein na individualnoj skali i da ga nismo zamrznuli ili označili“, rekla je profesorka Tehnološkog fakulteta u Džordžiji Aditi Das, autorka studije. „Obično moramo da kristalizujemo ili zamrznemo protein, što predstavlja izazove u snimanju slika visoke rezolucije fleksibilnih proteina. Alternativno, neke tehnike koriste molekularnu oznaku koju pratimo, umesto da posmatramo sam protein. U ovoj studiji vidimo protein kakav jeste, ponašajući se kako se ponaša u tečnom okruženju i gledajući kako lipidi i proteini međusobno deluju.“
Istraživači su postigli videografiju kombinovanjem nove metode transmisione elektronske mikroskopije na bazi vode sa detaljnim računarskim modeliranjem na nivou atoma. Tehnika na bazi vode uključuje kapsuliranje kapljica nanometarske skale u grafenu kako bi one mogle da izdrže vakuum u kojem mikroskop radi. Upoređivanje rezultujućih video podataka sa molekularnim modelima, koji pokazuju kako stvari treba da se kreću na osnovu zakona fizike, pomaže istraživačima ne samo da protumače već i da potvrde svoje eksperimentalne podatke.
„Trenutno je ovo zaista jedini eksperimentalni način da se snimi ova vrsta kretanja tokom vremena“, rekao je Džon V. Smit, prvi autor rada, koji je posao završio dok je bio diplomirani student u Ilinoisu. „Život je u tečnosti, i u pokretu je. Pokušavamo da dođemo do najsitnijih detalja te veze na eksperimentalni način.“
Za novu studiju – prvu objavljenu demonstraciju tehnike elektronske videoografije – istraživači su ispitali diskove lipidnih membrana na nanosmeru i kako su oni u interakciji sa proteinima koji se normalno nalaze na površini ili ugrađeni u ćelijske membrane.
„Membranski proteini su na interfejsu između ćelija i između unutrašnje i spoljašnje ćelije, kontrolišu šta ulazi i izlazi“, rekao je Smit. „Oni su u velikoj meri mete za medicinu; uključeni su u sve vrste procesa kao što su kako se naši mišići kontrahuju, kako naši mozgovi rade, imunološko prepoznavanje; i drže ćelije i tkiva zajedno. A sva složenost načina na koji membranski protein funkcioniše dolazi od ne samo svoju strukturu, već i kako doživljava lipide oko sebe.“
Elektronska videoografija je omogućila istraživačima da vide ne samo kako se ceo sklop lipid-proteina kretao, već i dinamiku svake komponente. Istraživači su otkrili da postoje različiti regioni unutar nanodiska, i više fluktuacija i više stabilnosti nego što se očekivalo.
Iako se često pretpostavlja da je uticaj kretanja proteina membrane ograničen na molekule lipida koji ga direktno okružuju, istraživači su videli dramatičnije fluktuacije u većem opsegu, rekao je Smith. Fluktuacije su poprimile oblik poput prsta, poput sluzi prskane po zidu. Ipak, čak i nakon tako dramatičnog kretanja, nanodisk bi se vratio u svoju normalnu konfiguraciju.
„Činjenica da smo videli te domene, i videli smo da se oporavlja od tih procesa, sugeriše da interakcije između proteina i membrane zapravo imaju veći opseg nego što se najčešće misli“, rekao je Smit.
Istraživači planiraju da koriste svoju tehniku elektronske videoografije za proučavanje drugih tipova membranskih proteina i drugih klasa molekula i nanomaterijala.
„Mogli bismo da proučavamo jonske kanale koji se otvaraju i zatvaraju da regulišu protok i interakcije između ćelije koristeći ovu platformu“, rekao je Čen.
Kian Chen je takođe povezan sa odeljenjem za hemiju, Bekman institutom za naprednu nauku i tehnologiju, Medicinskim fakultetom Carle Illinois i Laboratorijom za istraživanje materijala u Ilinoisu.
