I en första demonstration av "elektronvidografi" har forskare fångat en mikroskopisk rörlig bild av den känsliga dansen mellan proteiner och lipider som finns i cellmembran. Tekniken kan användas för att studera dynamiken hos andra biomolekyler och bryta sig fri från begränsningar som har begränsat mikroskopi till stillbilder av fixerade molekyler, säger University of Illinois Urbana-Champaign forskare och medarbetare vid Georgia Institute of Technology.

"Vi går längre än att ta enstaka ögonblicksbilder, som ger struktur men inte dynamik, till att kontinuerligt registrera molekylerna i vatten, deras ursprungliga tillstånd", säger studieledaren Qian Chen, professor i materialvetenskap och teknik i Illinois. "Vi kan verkligen se hur proteiner ändrar sin konfiguration och, i det här fallet, hur hela protein-lipid självmonterad struktur fluktuerar över tiden."

Forskarna rapporterade sin teknik och sina resultat i tidskriften Science Advances .

Elektronmikroskopitekniker bild i molekylär eller atomär skala, vilket ger detaljerade bilder i nanometerskala. Men de förlitar sig ofta på prover som har frysts eller fixerats på plats, vilket låter forskarna försöka dra slutsatser om hur molekyler rör sig och interagerar – som att försöka kartlägga koreografin av en danssekvens från en enda filmruta.

"Det här är första gången vi tittar på ett protein i en individuell skala och inte har fryst det eller märkt det", säger Georgia Tech professor Aditi Das, motsvarande författare till studien. "Vanligtvis måste vi kristallisera eller frysa ett protein, vilket innebär utmaningar när det gäller att fånga högupplösta bilder av flexibla proteiner. Alternativt använder vissa tekniker en molekylär tagg som vi spårar, snarare än att titta på själva proteinet. I den här studien ser vi proteinet som det är, beter sig som det gör i en flytande miljö och se hur lipider och proteiner interagerar med varandra."

Forskarna uppnådde videografi genom att kombinera en ny vattenbaserad metod för transmissionselektronmikroskopi med detaljerad beräkningsmodellering på atomnivå. Den vattenbaserade tekniken går ut på att kapsla in droppar i nanometerskala i grafen så att de kan stå emot det vakuum som mikroskopet arbetar i. Att jämföra den resulterande videodatan med molekylära modeller, som visar hur saker och ting bör röra sig baserat på fysikens lagar, hjälper forskarna att inte bara tolka utan också validera deras experimentella data.

"För närvarande är detta verkligen det enda experimentella sättet att filma den här typen av rörelse över tid", säger John W. Smith, den första författaren till tidningen, som avslutade arbetet medan han studerade i Illinois. "Livet är i vätska och det är i rörelse. Vi försöker komma till de finaste detaljerna i den kopplingen på ett experimentellt sätt."

För den nya studien – den första publicerade demonstrationen av elektronvideografitekniken – undersökte forskarna nanoskala skivor av lipidmembran och hur de interagerade med proteiner som normalt finns på ytan av eller inbäddade i cellmembran.

"Membranproteiner är i gränssnittet mellan celler och mellan insidan och utsidan av cellen, och styr vad som går in och ut," sa Smith. "De är överväldigande mål för medicin; de är involverade i alla typer av processer som hur våra muskler drar ihop sig, hur våra hjärnor fungerar, immunigenkänning; och de håller ihop celler och vävnader. Och all komplexiteten i hur ett membranprotein fungerar kommer från inte bara sin egen struktur, utan också hur den upplever lipiderna runt omkring."

Elektronvidografi gjorde det möjligt för forskarna att se inte bara hur hela lipid-proteinaggregatet rörde sig, utan också dynamiken hos varje komponent. Forskarna fann att det fanns distinkta regioner inom nanoskivan, och både mer fluktuationer och mer stabilitet än väntat.

Även om det ofta antas att påverkan av ett membranproteins rörelse är begränsad till lipidmolekylerna som omger det, såg forskarna mer dramatiska fluktuationer över ett större område, sa Smith. Svängningarna fick en fingerliknande form, som slem stänkt på en vägg. Men även efter en sådan dramatisk rörelse skulle nanoskivan återgå till sin normala konfiguration.

"Det faktum att vi såg dessa domäner, och vi såg dem återhämta sig från dessa processer, tyder på att interaktioner mellan proteinet och membranet faktiskt har ett större omfång än man brukar tro", sa Smith.