Elektronische Videografie fängt den bewegenden Tanz zwischen Proteinen und Lipiden ein

In einer ersten Demonstration der „Elektronenvideografie“ haben Forscher ein bewegtes mikroskopisches Bild des zarten Tanzes zwischen Proteinen und Lipiden in Zellmembranen aufgenommen. Die Technik könne genutzt werden, um die Dynamik anderer Biomoleküle zu untersuchen und sich von den Zwängen zu befreien, die die Mikroskopie auf Standbilder stationärer Moleküle beschränken, sagen die Urbana-Champaign-Forscher und Mitarbeiter an der University of Illinois am Georgia Institute of Technology.

„Wir gehen über das Aufnehmen einzelner Schnappschüsse hinaus, die Struktur, aber keine Dynamik verleihen, sondern erfassen kontinuierlich Moleküle im Wasser, ihren ursprünglichen Zustand“, sagte Studienleiter Qian Chen und Professor für Materialwissenschaften und -technik in Illinois. „Wir können wirklich sehen, wie Proteine ​​ihre Konfiguration ändern und in diesem Fall, wie die gesamte selbstorganisierte Protein-Lipid-Struktur im Laufe der Zeit schwankt.“

Die Forscher berichteten in der Zeitschrift über ihre Technik und Ergebnisse Wissenschaftler machen Fortschritte.

Elektronenmikroskopische Techniken bilden Bilder im molekularen oder atomaren Maßstab ab und erzeugen detaillierte Bilder im Nanomaßstab. Sie stützen sich jedoch oft auf eingefrorene oder fixierte Proben, was Wissenschaftler dazu zwingt, Rückschlüsse darauf zu ziehen, wie sich Moleküle bewegen und interagieren, als würden sie versuchen, die Choreografie einer Tanzsequenz aus einem einzelnen Bild eines Films abzubilden.

„Dies ist das erste Mal, dass wir ein Protein im Einzelmaßstab betrachten, ohne es einzufrieren oder zu kennzeichnen“, sagte Aditi Das, Professorin an der Georgia Tech und korrespondierende Autorin der Studie. „Normalerweise müssen wir ein Protein kristallisieren oder einfrieren, was die Aufnahme hochauflösender Bilder von flexiblen Proteinen vor Herausforderungen stellt. Alternativ verwenden einige Techniken eine molekulare Markierung, der wir folgen, anstatt das Protein selbst zu beobachten. In dieser Studie haben wir Sehen Sie das Protein so, wie es ist, wie es sich in einer flüssigen Umgebung verhält und beobachten Sie, wie Lipide und Proteine ​​miteinander interagieren.

Die Forscher führten die Videografie durch, indem sie eine neue wasserbasierte Transmissionselektronenmikroskopie-Methode mit detaillierter Computermodellierung auf Atomebene kombinierten. Bei der wasserbasierten Technik werden nanoskalige Tröpfchen in Graphen eingekapselt, damit sie dem Vakuum standhalten, in dem das Mikroskop arbeitet. Der Vergleich der resultierenden Videodaten mit molekularen Modellen, die zeigen, wie sich Dinge gemäß den Gesetzen der Physik bewegen sollten, hilft Forschern nicht nur bei der Interpretation, sondern auch bei der Validierung ihrer experimentellen Daten.

„Derzeit ist dies wirklich die einzige experimentelle Möglichkeit, diese Art von Bewegung im Laufe der Zeit zu filmen“, sagte John W. Smith, der Erstautor der Arbeit, der seine Arbeit während seines Doktorandenstudiums in Illinois fertigstellte. „Das Leben ist flüssig und in Bewegung. Wir versuchen, die kleinsten Details dieses Zusammenhangs experimentell herauszufinden.“

Für die neue Studie – die erste veröffentlichte Demonstration der Elektronenvideografie-Technik – untersuchten die Forscher nanoskalige Scheiben aus Lipidmembranen und wie diese mit Proteinen interagieren, die normalerweise auf der Oberfläche von Zellmembranen vorkommen oder in diese eingebettet sind.

„Membranproteine ​​sitzen an der Grenzfläche zwischen Zellen und zwischen dem Inneren und Äußeren der Zelle und kontrollieren, was hinein und heraus geht“, sagte Smith. „Sie sind meist Ziele für die Medizin; sie sind an allen möglichen Prozessen beteiligt, etwa an der Kontraktion unserer Muskeln, an der Funktionsweise unseres Gehirns, an der Immunerkennung; und sie halten Zellen und Gewebe zusammen. Und die ganze Komplexität der Funktion eines Membranproteins entsteht dadurch, dass es nicht so ist.“ nicht nur seine eigene Struktur, sondern auch, wie es die es umgebenden Lipide wahrnimmt.

Mithilfe elektronischer Videografie konnten die Forscher nicht nur sehen, wie sich die Lipid-Protein-Anordnung bewegte, sondern auch die Dynamik jeder Komponente. Die Forscher fanden heraus, dass es innerhalb der Nanoscheibe unterschiedliche Regionen sowie mehr Schwankungen und mehr Stabilität als erwartet gab.

Obwohl oft angenommen wird, dass der Einfluss der Bewegung eines Membranproteins auf die Lipidmoleküle beschränkt ist, die es direkt umgeben, haben Forscher dramatischere Schwankungen in einem größeren Bereich beobachtet, sagte Smith. Die Schwankungen nahmen die Form eines Fingers an, wie Schleim, der auf eine Wand gespritzt wurde. Doch selbst nach solch einer spektakulären Bewegung würde die Nanoscheibe in ihre normale Konfiguration zurückkehren.

„Die Tatsache, dass wir diese Domänen gesehen haben und gesehen haben, wie sie sich von diesen Prozessen erholt haben, legt nahe, dass die Wechselwirkungen zwischen dem Protein und der Membran tatsächlich weitreichender sind, als allgemein angenommen wird“, sagte Smith.

Die Forscher planen, ihre Elektronenvideographie-Technik zur Untersuchung anderer Arten von Membranproteinen und anderer Klassen von Molekülen und Nanomaterialien einzusetzen.

„Mit dieser Plattform könnten wir Ionenkanäle untersuchen, die sich öffnen und schließen, um den Fluss und die Interaktionen zwischen Zellen zu regulieren“, sagte Chen.

Qian Chen ist außerdem mit dem Department of Chemistry, dem Beckman Institute for Advanced Science and Technology, dem Carle Illinois College of Medicine und dem Materials Research Laboratory in Illinois verbunden.