Журнал физической химии и биофизики
Открытый доступ

Абстрактный

Структура одиночной молекулы с высоким разрешением, выявленная с помощью электронной микроскопии и электронной томографии отдельных частиц

Лэй Чжан и Ган Жэнь

Белок по своей природе динамичен и гетерогенен в растворе. Динамика белка включает как равновесные колебания, которые регулируют биологическую функцию, так и другие неравновесные эффекты биологических двигателей, которые преобразуют химическую энергию в механическую. Однако, одной уникальной структуры белка, определенной с помощью рентгеновского кристалла и обычной одночастичной электронной микроскопии, недостаточно, чтобы охватить динамическую природу белков в растворе. Определение структуры динамического и гетерогенного белка по сути требует определения каждой отдельной частицы белка. Недавно доктора Ган Жэнь и Лэй Чжань опубликовали первые трехмерные (3D) ЭМ-изображения отдельных молекул отдельных белков, когда-либо полученные с достаточной четкостью для определения их структуры, антитела IgG (разрешение 14 Å) и 17 нм ЛВП (разрешение 36 Å). Эти результаты зависели от четырех инноваций: i) улучшенная подготовка образцов криоэлектронной микроскопии (криоЭМ) и условия работы электронной микроскопии (ЭМ) привели к успешной визуализации 17 нм частицы ЛПВП (120-200 кДа) с помощью криоэлектронной томографии (криоЭТ); ii) разработан оптимизированный протокол NS (OpNS), который устраняет артефакт «руло», который преследовал исследования ЭМ в течение трех десятилетий. Этот протокол OpNS обеспечивает высококонтрастные изображения отдельных липопротеинов с аналогичным размером (<5%) и формой (<5%), которые видны с помощью криоЭМ; iii) разработан протокол подготовки образцов с высоким разрешением и высокой контрастностью, криопозитивное окрашивание (криоПС), которое позволяет напрямую визуализировать вторичную структуру небольшого белка, такого как β-тяжи в CETP и спиральный двойной пояс апоА-I в сферических ЛПВП; iv) разработали надежный метод реконструкции томографии, индивидуальную электронную томографию частиц (IPET), которая является методом реконструкции с высоким разрешением и высокой пропускной способностью, который, насколько нам известно, является единственным методом определения индивидуальной структуры белка. Примечательно, что IPET пошел против общепринятого мнения о том, что отдельный белок НЕ может быть реконструирован с помощью ЭМ, и это открывает дверь для изучения динамики белка посредством структурного сравнения частица за частицей.