Fyzici z Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) v Mnichově vyvinuli nový nanonástroj, který poskytuje snadný způsob charakterizace mechanických vlastností biomolekul.
Tváří v tvář tisícům proteinů a genů, které se nacházejí prakticky v každé buňce v těle, chtějí biologové vědět, jak přesně všechny fungují: jak interagují při provádění svých specifických funkcí a jak reagují a přizpůsobují se poruchy? Jedním z klíčových faktorů všech těchto procesů je otázka, jak biomolekuly reagují na nepatrné síly, které působí na molekulární úrovni. Fyzikové LMU pod vedením profesora Tima Liedla ve spolupráci s výzkumníky z Technické univerzity v Braunschweigu a z Regensburgské univerzity přišli s metodou, která jim umožňuje vyvíjet konstantní sílu na jedinou makromolekulu o rozměrech několika nanometrů. pozorovat odezvu molekuly. Vědci tak mohou otestovat, zda je protein nebo gen schopen normálně fungovat, když je jeho struktura deformována silami o velikosti očekávané ve vnitřku buněk. Tato nová metoda silové spektroskopie využívá samostatně sestavená nanoskopická měřidla výkonu, nevyžaduje žádné makroskopické nástroje a dokáže paralelně analyzovat velké množství molekul, což enormně urychluje proces získávání dat.
Svým novým přístupem vědci překonali dvě zásadní omezení nejběžněji používaných přístrojů pro silovou spektroskopii. V případě silové mikroskopie a metodik založených na optické nebo magnetické pinzetě jsou zkoumané molekuly vždy přímo spojeny s makroskopickým převodníkem. Vyžadují přesnou kontrolu polohy předmětu – koule nebo ostrého kovového hrotu o velikosti řádově mikrometrů – který působí silou na molekuly, které jsou ukotveny k tomuto předmětu. Tato strategie je technicky extrémně náročná a získaná data jsou často hlučná. Kromě toho lze tyto postupy použít pouze pro sondování molekul jedné po druhé. Nová metoda se obejde bez všech těchto omezení. „Struktury, které používáme, fungují zcela autonomně,“vysvětluje Philipp Nickels, člen výzkumné skupiny Tima Liedla. "A můžeme je použít ke studiu nespočetného množství molekul současně."
Lehký dotek
Členové mnichovské skupiny, která je přidružena ke Cluster of Excellence NIM (Nanosystems Initiative Munich), jsou uznávanými mistry „DNA origami“. Tato metodika využívá vlastnosti párování bází DNA pro konstrukci nanostruktur z vláken, která se skládají a párují lokálně způsobem určeným jejich nukleotidovými sekvencemi. V tomto případě jsou sekvence DNA naprogramovány tak, aby vzájemně interagovaly takovým způsobem, že konečná struktura je molekulární svorka, kterou lze naprogramovat tak, aby vyvíjela definovanou sílu na testovanou molekulu. Za tímto účelem jednovláknová DNA, která obsahuje specifickou sekvenci schopnou rekrutovat požadovanou molekulu, se rozprostírá od jednoho ramene svorky k druhému. Aplikovaná síla pak může být vyladěna změnou délky jednovláknové základny po základně. "To je ekvivalentní natažení pružiny tak-o-o nepatrně," říká Nickels. Tímto způsobem je skutečně možné aplikovat extrémně malé síly mezi 1 a 15 pN (1 pN=jedna miliardtina Newtonu) – srovnatelné co do velikosti s těmi, které působí na proteiny a geny v buňkách. "V zásadě můžeme pomocí těchto svorek zachytit jakýkoli typ biomolekuly a prozkoumat její fyzikální vlastnosti," říká Tim Liedl.
Účinek aplikované síly se odečítá s využitím fenoménu Försterova rezonančního přenosu energie (FRET). "FRET zahrnuje přenos energie mezi dvěma fluorescenčními barvivy a je silně závislý na vzdálenosti mezi nimi." vysvětluje profesor Philip Tinnefeld z TU Braunschweig. Když je síla působící na testovanou molekulu dostatečná k její deformaci, změní se vzdálenost mezi fluorescenčními markery a velikost přenosu energie slouží jako dokonale přesné měřítko deformace testované molekuly na nanometrovém měřítku.
Společně s Dinou Grohmann z Universität Regensburg tým použil novou techniku ke zkoumání vlastností takzvaného vazebného proteinu TATA, důležitého genového regulátoru, který se váže na specifickou upstream nukleotidovou sekvenci v genech a pomáhá vyvolat jejich výraz. Zjistili, že protein TATA již nemůže plnit svou normální funkci, pokud je jeho cílová sekvence vystavena síle vyšší než 6 pN. - Nová technologie právě debutovala. Ale protože svorky jsou nepatrné a fungují autonomně, v budoucnu může být možné je použít ke studiu molekulárních procesů v živých buňkách v reálném čase.
