Hochgeschwindigkeits-AFM ermöglicht die direkte Beobachtung von Biomolekülen in dynamischer Aktion und hat einen neuen Weg zur dynamischen Strukturbiologie eröffnet. Eine enorme Anzahl erfolgreicher Anwendungen, die in den letzten 15 Jahren entwickelt wurden, bieten einzigartige Einblicke in wesentliche biologische Prozesse auf der Nanoskala – sie visualisieren beispielsweise, wie molekulare Motoren ihre spezifischen Funktionen ausführen.
Eine intrinsische Einschränkung bei der AFM-Bildgebung besteht darin, dass nur die Oberflächentopographie erfasst werden kann und die AFM-Spitze zu groß ist, um Details unterhalb der Nanometerskala aufzulösen. Um die Interpretation und das Verständnis von HS-AFM-Beobachtungen zu erleichtern, spielen postexperimentelle Analysen und Berechnungsmethoden eine immer wichtigere Rolle.
In ihrem Übersichtsartikel, veröffentlicht in Aktuelle Meinung in der Strukturbiologie, Holger Flechsig (NanoLSI, Computational Science) und Toshio Ando (Distinguished Professor at NanoLSI) geben einen Überblick über Entwicklungen in diesem hochaktuellen Feld interdisziplinärer Forschung. Computermodellierung und Simulationen ermöglichen bereits die Rekonstruktion von 3D-Konformationen mit atomistischer Auflösung aus AFM-Bildern mit begrenzter topografischer Auflösung. Darüber hinaus ermöglichen quantitative Analysemethoden die automatisierte Erkennung biomolekularer Formänderungen aus topografischen Bildern oder Merkmalszuordnungen einschließlich der Identifizierung von Aminosäureresten auf der Moleküloberfläche.
Die entwickelten Berechnungsmethoden werden oft in Open-Access-Software implementiert, was praktische Anwendungen durch die breite Bio-AFM-Community ermöglicht, um experimentelle Beobachtungen zu ergänzen. In dieser Hinsicht hat das 2020 an der Universität Kanazawa initiierte Softwareprojekt BioAFMviewer erhebliche Aufmerksamkeit erlangt und spielt eine wichtige Rolle in einer Vielzahl von Kooperationsprojekten.
Die Kombination von Hochgeschwindigkeits-AFM und Computermodellierung wird das Verständnis der Funktionsweise von Proteinen im atomaren Detail erweitern. Ein ehrgeiziges Ziel für die Zukunft ist die Anwendung von molekularer Modellierung zur Rekonstruktion von 3D-Molekularfilmen auf atomarer Ebene aus topografischen Hochgeschwindigkeits-AFM-Filmen.
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Holger Flechsig et al, Proteindynamik durch die Kombination von Hochgeschwindigkeits-AFM und Computermodellierung, Aktuelle Meinung in der Strukturbiologie (2023). DOI: 10.1016/j.sbi.2023.102591