Физики изобрели «линейку», способную измерять внутримолекулярные расстояния с точностью до размера атома

Белки — очень большие молекулы (макромолекулы), которые состоят из атомов углерода, водорода, азота и кислорода, составляющих множество аминокислот, связанных между собой пептидной связью. Иногда структура белка нарушается, происходит изменение их формы, что может повлиять на работу этих макромолекул. Некоторые структурные изменения белков могут спровоцировать развитие целого ряда заболеваний, например изменение структуры тау-белка, отвечающего за правильную работу нейронов, провоцирует болезнь Альцгеймера. 

Чтобы предвидеть надвигающиеся структурные изменения белков и понять процессы, ответственные за эти изменения, важно определить точное расстояние между атомами (и кластерами атомов) внутри этих макромолекул. 

Команда немецких физиков под руководством Штеффена Сахла (Steffen Sahl) из Института многопрофильных наук Макса Планка создала внутримолекулярную «линейку» MINFLUX, способную измерять расстояние внутри белков в диапазоне от 0,1 нанометра (ангстрем) до 10 нанометров в зависимости от структуры белка. Об этом ученые рассказали в статье, опубликованной в журнале Science.

Для создания внутримолекулярной «линейки» Сахл и его коллеги использовали флуоресценцию, то есть процесс, позволяющий молекулам светиться при поглощении кванта света. Физики прикрепили две небольшие флуоресцентные молекулы (помеченные фотоактивируемыми красителями) к двум разным местам макромалекулы, а затем осветили их лазерным лучом. По свету, который испускали светящиеся молекулы, исследователи смогли измерить расстояние между ними.

С помощью этого метода измерили внутримолекулярное расстояние для нескольких белков. Самое маленькое составило всего 0,1 нанометра — размер одного атома. Флуоресцентная «линейка» также давала результаты до 10 нанометров, что означает более широкий диапазон измерений, чем при использовании многих традиционных оптических методов.

В одном из примеров исследователи рассмотрели две разные структуры одного и того же белка и обнаружили, что могут различать их: эти структуры находились на разном расстоянии друг от друга — одного нанометра и четырех соответственно. В другом эксперименте ученые измерили внутримолекулярное расстояние в раковой клетке.

По словам авторов исследования, добиться такой точности удалось благодаря использованию ряда последних технологических достижений — более совершенных микроскопов и флуоресцентных молекул. Они не мерцают и не дают лишнего свечения, которое можно спутать с каким-то другим эффектом.

В будущем немецкие физики собираются усовершенствовать свой метод и попытаются выяснить, для каких именно макромолекул флуоресцентная «линейка» окажется наиболее полезной.