原子間力顕微鏡はタンパク質の個々のアミノ酸を見ました

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原子間力顕微鏡はタンパク質の個々のアミノ酸を見ました
原子間力顕微鏡はタンパク質の個々のアミノ酸を見ました
Anonim
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曲率半径が異なる針の位置特定(上)および従来の(下)原子間力顕微鏡画像。コンピュータシミュレーションデータ

アメリカとイギリスの物理学者は、超高解像度の原子間力顕微鏡法を開発しました。これにより、タンパク質の構造を原子レベルで研究することができます。解像度を10分の1ナノメートルに下げるために、科学者は1つのオブジェクトから取得した一連の画像を分析し、確率マップを使用して表面の地形を再構築しました。このアプローチにより、タンパク質小球の表面にある個々のアミノ酸を識別し、分子のコンフォメーションの再配列を追跡することが可能になります、と科学者はNatureに書いています。

原子間力顕微鏡は、表面の画像を取得するために、ナノメートルの太さの点が付いた針を駆動し、レリーフを調べ、表面がこの針をはじく力を測定します。原子間力顕微鏡の助けを借りて、ほぼ原子分解能で通常の室内条件で表面レリーフを決定するだけでなく、材料の構造で機械的操作を実行することも可能です:表面上で個々の原子を動かすか、持ち上げます原子層全体。

操作の精度と顕微鏡の解像度は、針の先端の形状(原子が1つしかない場合もあります)だけでなく、針の幅の広い部分の形状にも依存します。この要因は、生体高分子と急激な高さの変化を伴う表面の研究中に特に顕著です。針は単に狭い隙間に収まりません。針の形状も生体分子の構造の分析を制限します。ポリマーコイルの表面のみが針にアクセスできますが、コンフォメーションの再配列の特徴はこの方法では研究できません。また、室温では、分子内の原子の動きが速すぎて静止画像を取得できません。

Weil College ofMedicineのSimonScheuringが率いる米国と英国の物理学者は、同じオブジェクトの一連のスキャン後に取得された画像を分析するための追加の手順を追加することにより、古典的な手法を近代化することを提案しました。極大値を見つけるためのアルゴリズムにより、作業の作成者は、いくつかのスキャンの結果を比較し、確率密度マップを作成し、平均化されたレリーフを使用して、特定の突起の高さを特定の確率で計算することができました。

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複雑なレリーフを備えた表面の局在化原子間力顕微鏡を使用した表面画像の再構成のモデリング

その結果、科学者たちは、縦軸に沿ったノイズ、分子表面の原子の振動、ランダムな変動をなんとか取り除くことができました。まさにこれらの変動と原子の小さな動きが、実際にオブジェクトを「さまざまな角度から」見て、解像度を上げることを可能にしているのは興味深いことです。実験のコンピューターシミュレーションは、曲率半径が研究対象の分子の構造要素間の距離よりも大きい顕微鏡の先端の場合、一連の数十回のスキャンで解像度を約5倍に高めるのに十分であることを示しました。

科学者たちは、コンピューターモデルでこの手法を考案した後、実際の分子の構造の分析に移りました。イオンチャネルを形成する膜タンパク質アクアポリン-ZとアネキシンA5です。体積フーリエ相関と統計分析の方法を使用して、方法の解像度は単一アミノ酸のサイズにもたらされました:アクアポリンの場合は0.40ナノメートル、アネキシンの場合は0.45ナノメートル。一部の地域では、解像度は0.2ナノメートルに達しました。科学者たちは、高速原子間力顕微鏡を使用して、アネキシンのN末端でアミノ酸が置き換えられたときに構造の再配列を見ました。

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標準(左)および局在化(中央)原子間力顕微鏡およびX線結晶学(右)を使用して得られたアクアポリン-Z構造

多分子構造で解像度を上げるために、同じ表面の複数のスキャンを記録する必要がある場合は、単一分子を研究するときに、異なる時間の同じ分子の画像を使用できます。タンパク質結晶については、顕微鏡の結果は、X線結晶学のデータと分子動力学法によるコンピューターモデリングによって確認されました。

科学者によると、このようにして、古典的な原子間力顕微鏡と高速スキャンの両方の解像度を上げることが可能です。物理学者によると、このアプローチは、静力学と動力学の両方の生理学的条件下で、あらゆる生体分子に使用できます。

研究の著者は、超高解像度蛍光顕微鏡の方法に触発され、顕微鏡の解像度を20ナノメートル(回折限界は約400ナノメートル)に上げることができるこれらのアプローチの開発を使用したと述べています。ただし、これが光学顕微鏡の解像度を向上させる唯一の方法ではありません。物理学者は最近、光信号の横モードの相関を分析することで超高解像度を実現できることを示しました。

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