Das Team entwickelt eine entscheidende Verbesserung der Kryo-Elektronenmikroskopie

Die Wissenschaftler, die 2017 den Nobelpreis für Chemie erhielten, wurden für die Entwicklung einer Technik namens Kryo-Elektronenmikroskopie oder Kryo-EM geehrt. Die Technologie war revolutionär, weil sie es Wissenschaftlern ermöglichte, die atomare Struktur biologischer Moleküle in hoher Auflösung zu sehen.

Doch die Kryo-EM hatte immer noch einen Haken: Sie war nur für die Abbildung großer Moleküle wirksam.

Jetzt haben Biochemiker der UCLA in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der Pharmaindustrie eine Lösung entwickelt, die es der Kryo-EM ermöglicht, auch hochwertige Bilder kleinerer Proteinmoleküle zu erfassen. Die Wissenschaftler konstruierten eine 20 Nanometer große, würfelförmige Proteinstruktur, ein sogenanntes Gerüst, mit starren, stativartigen Vorsprüngen, die die kleinen Proteine ​​an Ort und Stelle halten.

Das Gerüst kann bei der Verarbeitung der Bildgebung digital aus dem Bild entfernt werden, sodass ein zusammengesetztes 3D-Bild nur der kleinen Proteine ​​zurückbleibt, die die Wissenschaftler analysieren.

Kleine und mittelgroße Proteine ​​sind ein Brennpunkt für die Erforschung potenzieller neuer Medikamente, die eines Tages zur Bekämpfung einiger der hartnäckigsten menschlichen Krankheiten eingesetzt werden könnten. Der Fortschritt, der an einem Protein getestet wurde, das Wissenschaftler auf seinen möglichen Einsatz in der Krebsbehandlung untersuchen, kann für fast jedes kleine Protein angepasst werden. Forscher gehen davon aus, dass die Erweiterung der Bildgebungsfähigkeiten der Kryo-EM ihnen dabei helfen wird, bestimmte Stellen auf Proteinen zu identifizieren, auf die sie für therapeutische Zwecke abzielen können.

Ein Artikel über die neue Forschung wird im veröffentlicht Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.

Bei der Kryo-EM schicken Wissenschaftler mithilfe eines Kryo-Elektronenmikroskops einen Elektronenstrahl durch gefrorene Materialproben und hinterlassen ein Bild der Tausenden von Molekülen – beispielsweise Proteinen – in der Probe. Die Moleküle werden genau so abgebildet, wie sie in der Probe liegen, wodurch Tausende von 2D-Fotos des Moleküls aus verschiedenen Winkeln erstellt werden. Durch die Computerverarbeitung werden alle diese Fotos abgeglichen, um ein korrektes 3D-Bild zu erstellen. Dabei wird der Hintergrund getrennt, Bilder mit ähnlicher Ausrichtung gruppiert und ein hochauflösendes 3D-Bild eines einzelnen Moleküls erstellt.

Wenn es jedoch darum geht, die kleinsten Proteinmoleküle abzubilden, ist es aufgrund ihrer geringen Größe unmöglich, ihre Ausrichtung in den Bildern zu bestimmen, was zu Bildern mit relativ niedriger Auflösung führt.

In früheren Studien versuchten Wissenschaftler, das Problem zu lösen, indem sie kleine Moleküle an größere Gerüste anbrachten. Diese Experimente zeigten jedoch, dass die kleinen Moleküle bei zu flexibler Anbringung in unterschiedlichen Winkeln und Ausrichtungen aus dem Gerüst herausragen würden – was immer noch zu unscharfen Bildern führen würde .

„Die Bilder sind verschwommen, weil der Computer kein eindeutiges zusammengesetztes Bild erstellen kann, wenn er die Ausrichtungen nicht genau bestimmen kann“, sagte Todd Yeates, ein angesehener emeritierter Professor für Biochemie an der UCLA und Interimsdirektor des UCLA-Department of Energy Institute für Genomics and Proteomics und der korrespondierende Autor des Artikels.

In der neuen Studie verfügt das von den Wissenschaftlern geschaffene Gerüst über stativförmige Vorsprünge, die die Proteine ​​einfangen und fest an Ort und Stelle halten, was zu den Bildern mit höherer Auflösung führte, die sie anstrebten.

„Durch die starre Befestigung der kleinen Moleküle an größeren Gerüsten entstehen Partikel, die groß genug sind, um abgebildet zu werden, und die alle genau die gleiche 3D-Form haben“, sagte Yeates. „Und von dort aus erfolgt der Aufbau des hochauflösenden 3D-Bildes wie gewohnt.“

Roger Castells-Graells, Postdoktorand an der UCLA und Hauptautor der Studie, sagte, die Wissenschaftler hätten zunächst eine andere Form des Gerüsts ausprobiert, bevor sie sich für die Version mit stativförmigen Vorsprüngen entschieden.

„Zuerst haben wir einen nach außen gerichteten ‚Stab‘ verwendet, aber das hat nicht so gut funktioniert“, sagte er. „Das neue Gerüst hat Vorsprünge, die in Drillingen zueinander zeigen – wie Stative – die das Protein fest halten.“

Die Forscher testeten ihr Gerüst, indem sie versuchten, Bilder eines Proteins namens KRAS zu erstellen. KRAS regt die Zellvermehrung an und ist an etwa 25 % der Krebserkrankungen beim Menschen beteiligt; Dies ist für Pharmaforscher von besonderem Interesse, da die Identifizierung spezifischer Stellen auf dem Protein, die mit seinen krebserregenden Fähigkeiten in Zusammenhang stehen, Wissenschaftlern dabei helfen könnte, Medikamente zu entwickeln, die die Aktivität an diesen Stellen neutralisieren – was ein Weg zur Behandlung von Krebs sein könnte.

Mithilfe von Kryo-EM und dem von ihnen entwickelten Gerüst konnte das von der UCLA geleitete Team die atomare Struktur von KRAS beobachten, das an ein Arzneimittelmolekül gebunden ist, das als Teil einer möglichen Behandlung von Lungenkrebs untersucht wird. Ihre Arbeit bewies, dass der neue gerüstbasierte Kryo-EM-Ansatz aufklären kann, wie Arzneimittelmoleküle an zelluläre Proteine ​​wie KRAS binden und diese hemmen, und dabei helfen könnte, die Entwicklung wirksamerer Arzneimittel voranzutreiben.

Die potenziellen Anwendungen für den neuen Fortschritt beschränken sich nicht auf Krebsmedikamente, sagte Castells-Graells.

„Unser Gerüst ist modular aufgebaut und kann in jeder beliebigen Konfiguration zusammengestellt werden, um alle Arten kleiner Proteinmoleküle einzufangen und zu halten“, sagte er.