In einer ersten Demonstration der „Elektronenvideografie“ haben Forscher ein mikroskopisches, bewegtes Bild des zarten Tanzes zwischen Proteinen und Lipiden in Zellmembranen aufgenommen. Die Technik kann verwendet werden, um die Dynamik anderer Biomoleküle zu untersuchen und sich von den Einschränkungen zu befreien, die die Mikroskopie auf Standbilder fester Moleküle beschränkt haben, sagen Forscher der University of Illinois Urbana-Champaign und Mitarbeiter am Georgia Institute of Technology.
„Wir gehen über die Aufnahme einzelner Schnappschüsse hinaus, die Struktur, aber keine Dynamik verleihen, und erfassen kontinuierlich die Moleküle im Wasser, ihren ursprünglichen Zustand“, sagte Studienleiter Qian Chen, Professor für Materialwissenschaften und -technik aus Illinois. „Wir können wirklich sehen, wie Proteine ihre Konfiguration ändern und in diesem Fall, wie die gesamte selbstorganisierte Protein-Lipid-Struktur im Laufe der Zeit schwankt.“
Die Forscher gemeldet ihre Technik und Erkenntnisse in der Zeitschrift Wissenschaftliche Fortschritte.
Elektronenmikroskopische Techniken bilden Bilder auf molekularer oder atomarer Ebene ab und liefern detaillierte Bilder im Nanometerbereich. Allerdings stützen sie sich oft auf Proben, die eingefroren oder an Ort und Stelle fixiert wurden, so dass Wissenschaftler versuchen müssen, abzuleiten, wie sich Moleküle bewegen und interagieren – ähnlich wie bei dem Versuch, die Choreografie einer Tanzsequenz aus einem einzelnen Filmbild abzubilden.
„Dies ist das erste Mal, dass wir ein Protein auf individueller Ebene betrachten und es nicht eingefroren oder markiert haben“, sagte Georgia Tech-Professorin Aditi Das, eine korrespondierende Autorin der Studie. „Normalerweise müssen wir ein Protein kristallisieren oder einfrieren, was bei der Aufnahme hochauflösender Bilder flexibler Proteine eine Herausforderung darstellt. Alternativ verwenden einige Techniken eine molekulare Markierung, die wir verfolgen, anstatt das Protein selbst zu beobachten. In dieser Studie sehen wir das Protein so wie es ist, wie es sich in einer flüssigen Umgebung verhält und wie Lipide und Proteine miteinander interagieren.“
Die Forscher erreichten Videografie durch die Kombination einer neuartigen wasserbasierten Transmissionselektronenmikroskopie-Methode mit detaillierter rechnerischer Modellierung auf Atomebene. Bei der wasserbasierten Technik werden nanometergroße Tröpfchen in Graphen eingekapselt, damit sie dem Vakuum standhalten, in dem das Mikroskop arbeitet. Der Vergleich der resultierenden Videodaten mit molekularen Modellen, die zeigen, wie sich Dinge auf der Grundlage physikalischer Gesetze bewegen sollten, hilft den Forschern nicht nur bei der Interpretation, sondern auch bei der Validierung ihrer experimentellen Daten.
„Derzeit ist dies wirklich die einzige experimentelle Möglichkeit, diese Art von Bewegung im Laufe der Zeit zu filmen“, sagte John W. Smith, der Erstautor der Arbeit, der die Arbeit während seines Doktorandenstudiums in Illinois fertigstellte. „Das Leben ist flüssig und in Bewegung. Wir versuchen, auf experimentelle Weise den feinsten Details dieses Zusammenhangs auf den Grund zu gehen.“
Für die neue Studie – die erste veröffentlichte Demonstration der Elektronenvideografie-Technik – untersuchten die Forscher nanoskalige Scheiben von Lipidmembranen und wie sie mit Proteinen interagieren, die normalerweise auf der Oberfläche von Zellmembranen vorkommen oder in diese eingebettet sind.
„Membranproteine befinden sich an der Schnittstelle zwischen Zellen und zwischen dem Inneren und Äußeren der Zelle und steuern, was hinein- und hinausgeht“, sagte Smith. „Sie sind überwiegend Ziele für die Medizin; sie sind an allen möglichen Prozessen beteiligt, etwa an der Kontraktion unserer Muskeln, an der Funktionsweise unseres Gehirns, an der Immunerkennung; und sie halten Zellen und Gewebe zusammen. Und die ganze Komplexität der Funktionsweise eines Membranproteins ergibt sich daraus.“ nicht nur seine eigene Struktur, sondern auch wie es die Lipide um sich herum wahrnimmt.“
Mithilfe der Elektronenvideographie konnten die Forscher nicht nur sehen, wie sich die gesamte Lipid-Protein-Anordnung bewegte, sondern auch die Dynamik jeder einzelnen Komponente. Die Forscher fanden heraus, dass es innerhalb der Nanoscheibe unterschiedliche Regionen gab und sowohl mehr Fluktuation als auch mehr Stabilität als erwartet.
Während oft angenommen wird, dass der Einfluss der Bewegung eines Membranproteins auf die Lipidmoleküle beschränkt ist, die es direkt umgeben, sahen die Forscher dramatischere Schwankungen über einen größeren Bereich, sagte Smith. Die Schwankungen nahmen eine fingerartige Form an, wie Schleim, der auf eine Wand gespritzt wurde. Doch selbst nach solch einer dramatischen Bewegung würde die Nanoscheibe in ihre normale Konfiguration zurückkehren.
„Die Tatsache, dass wir diese Domänen gesehen haben und gesehen haben, wie sie sich von diesen Prozessen erholt haben, legt nahe, dass die Wechselwirkungen zwischen dem Protein und der Membran tatsächlich eine größere Reichweite haben als allgemein angenommen“, sagte Smith.
Die Forscher planen, ihre Elektronenvideographie-Technik zur Untersuchung anderer Arten von Membranproteinen und anderer Klassen von Molekülen und Nanomaterialien einzusetzen.
„Mit dieser Plattform könnten wir Ionenkanäle untersuchen, die sich öffnen und schließen, um den Fluss und die Interaktionen zwischen Zellen zu regulieren“, sagte Chen.
Qian Chen ist außerdem mit der Fakultät für Chemie, dem Beckman Institute for Advanced Science and Technology, dem Carle Illinois College of Medicine und dem Materials Research Laboratory in Illinois verbunden.
Mehr Informationen:
John W. Smith et al., Elektronenvideografie eines Lipid-Protein-Tangos, Wissenschaftliche Fortschritte (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adk0217