Японские ученые впервые напрямую визуализировали с помощью высокоскоростной атомно-силовой микроскопии перемещение белков через клеточную мембрану. Это событие было биохимически предсказано, но никогда не наблюдалось. Работа опубликована в журнале Nature Communications.
Биологи впервые сняли на видео, как белок проходит сквозь клеточную мембрану
Японские ученые впервые напрямую визуализировали с помощью высокоскоростной атомно-силовой микроскопии перемещение белков через клеточную мембрану. Это событие было биохимически предсказано, но никогда не наблюдалось.
Динамика транслокации белка (зеленый) через бактериальную мембрану в реальном времени с использованием высокоскоростной атомно-силовой микроскопии (HS-AFM). Эта визуализация показывает, как комплекс SecYEG-SecA облегчает перемещение белка, демонстрируя важные конформационные изменения в SecA, которые управляют транслокацией. Tomoya Tsukazaki
Транслокация белков — это важный динамический процесс, который обеспечивает перемещение белков через клеточные мембраны, позволяя им достигать определенных мест внутри клетки или выходить за ее пределы.
Процесс транслокации сквозь клеточную мембрану происходит через комплексы мембранных белков, которые обеспечивают необходимые каналы для перемещения.
У бактерий группа белков образует комплекс SecYEG-SecA, который помогает клеточным белкам перемещаться через цитоплазматическую мембрану. Компонент SecYEG — это канал, через который SecA управляет перемещением белков, используя энергию молекулы, называемой аденозинтрифосфатом (АТФ), своего рода «энергетическую валюту» клетки. Наблюдение этого процесса крайне сложно — он быстрый и микроскопический (нанометры).
Исследователи сосредоточились на изменениях в SecA во время цикла гидролиза АТФ, что имеет решающее значение для механизма транслокации. Гидролиз АТФ служит источником энергии, который управляет транспортом белка.
Анализируя динамику комплекса SecYEG-SecA с помощью высокоскоростного атомно-силового микроскопа, команда сделала снимки в реальном времени перехода SecA между двумя различными состояниями, связанными с циклом гидролиза АТФ.
Итог тридцатилетнего пути — несколько десятков секунд на видео
Эти изображения, полученные с помощью высокоскоростной атомно-силовой микроскопии, представляют собой моментальные снимки белкового субстрата, транслоцируемого через комплекс SecYEG-SecA. Левое изображение показывает связывание/транслоцирование белкового субстрата в комплекс SecYEG-SecA. Правое изображение показывает расширение транслоцированного белкового субстрата из комплекса SecYEG-SecA.
«Тринадцать лет назад мы отправились в это путешествие, чтобы визуализировать перемещение белка через мембрану. И мы в восторге от того, что нам удалось запечатлеть эти поистине новаторские кадры», — говорит соавтор работы доктор Томоя Цукадзаки.
Подробный анализ также показал, что скорость перемещения белка составляет около 2,2 аминокислотных остатков в секунду, и одного комплекса SecYEG-SecA было достаточно для успешного перемещения белка.
«Нам не только удалось зафиксировать процесс транслокации белка сквозь мембрану в режиме реального времени — событие, ранее неуловимое для визуального наблюдения, — но и оценить структурные изменения моторных белков и скорости их транспорта, что стало значительным прорывом. В дальнейшем мы планируем применить этот метод для анализа других мембранных белков. Это исследование прокладывает путь для будущей визуализации этой клеточной динамики, что потенциально может привести к лучшему пониманию молекулярных механизмов, лежащих в основе транслокации белков», — заключает Цукадзаки.
Ученые отмечают, что сегодня, благодаря развитию микроскопии, мы не только видим отдельную живую клетку, что уже само по себе удивительно, но и процессы происходящие с ней, например, транслокацию. Еще немного и мы в подробностях сможем наблюдать, как белки расплетают ДНК и копируют на РНК информацию, а рибосомы собирают белки. Мы все это знаем во многих подробностях, но еще никогда этого не видели своими глазами.