Proteiner är livets verktyg. I framtiden, forskare kanske kan undersöka enskilda molekyler med en särskilt skonsam metod för att avgöra hur de är konstruerade, hur de utför sina funktioner i celler, och hur de interagerar med potentiella läkemedel. Detta är möjligt tack vare hologram av proteiner som, för första gången, har producerat med mycket långsamma elektroner av forskare vid Zürichs universitet och Max Planck Institute for So lid State Research i Stuttgart.

Att veta strukturen hos proteiner är av intresse inte bara för biologer som vill förstå hur en organism fungerar utan också för läkare och farmakologer som behöver veta hur proteiner konstrueras, hur de interagerar med andra proteiner och mindre molekyler, och hur dessa bindningsställen förändras när proteinet utför sina funktioner. Med denna kunskap, forskare kan utveckla medicinska läkemedel som interagerar med proteinmaskineriet när det går sönder och vi blir sjuka.

Möjligheten att avbilda enskilda proteiner kan vara extremt användbar:vanliga metoder som röntgenstrukturanalys och kryo-elektronmikroskopi kräver kristaller i biomolekylerna eller en stor mängd protein. En brist på dessa metoder är att kristaller av många proteiner är omöjliga att odla. Dessutom, på grund av medelvärdet, teknikerna misslyckas ofta med att upptäcka skillnader mellan olika konformationer, dvs. strukturella varianter, av biomolekylen. Ändå är det just dessa variationer som är viktiga i sökandet efter nya läkemedel, eftersom proteiner antar olika konformationer när de utför sina funktioner.

Den ursprungliga idén med holografi är nu verklighet

"Vi har nu avbildat enstaka proteiner för första gången, "säger Hans-Werner Fink, professor vid universitetet i Zürich och chef för experimentet. "Detta uppnåddes genom att kombinera två metoder som är unika i den vetenskapliga världen:elektronholografi och elektrosprayjonstråleponering, vilket gör att prover kan förberedas mycket försiktigt. "Med denna kombination, forskarna har genererat hologram av cytokrom C, albumin och hemoglobin. Eftersom strukturerna för dessa proteiner redan är kända, forskarna kunde använda dem för att bekräfta noggrannheten och användbarheten av hologrammen.

För elektronholografi, forskarna i Hans-Werner Finks Zürich-baserade grupp har utvecklat ett innovativt mikroskop som utnyttjar elektronernas vågegenskaper. Mikroskopet utstrålar elektroner med låg energi genom ett protein och överlagrar de spridda elektronerna med den del av elektronstrålen som inte har interagerat med proteinet. Det resulterande interferensmönstret, som kan spelas in med mikroskopet, bildar ett hologram som liknar dem som erhålls genom optisk holografi. "Eftersom elektronerna har väldigt lite energi, det finns väldigt lite strålskador, även om vi bildar ett protein i timmar, till skillnad från andra strukturella analysmetoder, "förklarar Hans-Werner Fink.

Med elektronholografimikroskopet, fysikern har insett Dennis Gábor ursprungliga idé. När den ungersk-brittiska ingenjören uppfann holografi 1947, han hade faktiskt ett förbättrat elektronmikroskop i åtanke. Dock, vid den tiden fanns det inga lämpliga elektronkällor, så att, efter uppfinningen av lasern, denna nya princip för optisk avbildning kunde bara genomföras med ljus. Dennis Gábor fick Nobelpriset för fysik 1971. "Efter uppfinningen av en ultrakarp elektronpunktskälla, som avger elektroner med liknande egenskaper som ett laserljus, vi insåg äntligen Dennis Gábor lysande idé med elektronvågor, säger Hans-Werner Fink.

Det gasformiga proteinet placeras försiktigt på grafen

Dock, att avbilda enstaka proteiner med elektronholografi, de schweiziska forskarna behövde fortfarande ett bärarmaterial för proteinerna som är transparenta för elektronvågor samt en metod för att placera biomolekyler på det utan att orsaka skada. Grafen visade sig vara det mest lämpliga materialet för bäraren. Forskare vid Max Planck Institute for Solid State Research hittade den bästa lösningen för att deponera proteiner på arken som består av kolskikt:elektrosprayjonstråleponering, som utvecklades av ett team som leds av Stephan Rauschenbach i Klaus Kern -avdelningen. Forskarna utsätter proteinlösningen för en hög elektrisk spänning så att vätskan laddas högt. Elektrisk avstötning gör att vätskan atomiseras till en fin dimma. När dimma droppar utsätts för ett vakuum, vätskan avdunstar och de lösta beståndsdelarna, dvs. proteiner och föroreningar, stanna kvar som gaser. En masspektrometer sorterar sedan proteinerna efter deras massa-till-laddningsförhållanden och separerar också urenheter.

"Vår metod gör det möjligt att överföra enstaka biologiska molekyler till vakuumet och lägga dem på en yta så försiktigt att deras bräckliga tredimensionella vikta proteinstruktur bevaras, "säger Stephan Rauschenbach." Tack vare förberedande masspektrometri, vi förhindrar också kontaminering av grafenproven med andra molekyler, vilket är avgörande för kvaliteten på den holografiska bilden. "Masspektrometri gör det också möjligt att separera proteinblandningar eller rena proteiner från komplex med bindningspartners.

Information om montering av subenheter

När Stephan Rauschenbach och hans kollegor har deponerat proteinerna på grafensubstraten i Stuttgart, proverna måste transporteras till Zürich, där elektronholografiska mikroskopet är beläget. Proverna måste komma i ett förorenat tillstånd, vilket innebär att inga andra molekyler kan tillåtas sätta sig på grafen. För att transportera proverna till Schweiz, forskarna har utvecklat ett fall där ett extremt högt vakuum råder, som i själva apparaten.

Tack inte minst till den noggranna omsorg och renhet som observerades vid beredning och transport av proverna, elektronhologram uppnår redan en upplösning på mindre än en nanometer. "Detta gör att vi kan undersöka hur de enskilda underenheterna i stora proteinkomplex är sammansatta, "Säger Stephan Rauschenbach. De första hologrammen med enstaka proteiner ger också information om deras tredimensionella struktur.

"Dock, att exakt bilda proteinstrukturer på atomnivå, vi måste fortfarande förbättra upplösningen något, "förklarar Klaus Kern.", det finns inga fysiska hinder som hindrar detta. "De Zürich- och Stuttgartbaserade forskarna planerar nu att konstruera ett mikroskop där proteinernas vibrationer undertrycks genom att kyla proverna till cirka minus 200 grader Celsius. Dessutom har ett unikt precisionslaboratorium har nyligen byggts vid Max Planck -institutet i Stuttgart, som erbjuder perfekta förhållanden för mycket känsliga mätningar som holografi. Detta laboratorium byggdes på initiativ av Klaus Kern och är för närvarande guldstandarden för en lågvibrationsmätmiljö. Så snart elektronholografimikroskopet har optimerats, biomedicinska forskare kan använda detta nya instrument för att studera invecklingarna i hur livets verktyg fungerar.