Кріоелектронні мікроскопи

Кріоелектронні мікроскопи

Кріоелектронна мікроскопія (кріо-ЕМ) — метод мікроскопії, що застосовується для зразків, охолоджених до кріогенних температур. Для біологічних зразків таким чином зберігається структура, так як внутрішньоклітинна вода не встигає кристалізуватись при замороженні. Водний розчин зразка наноситься на сітку та занурюється в рідкий етан або суміш рідкого етану та пропану. Незважаючи на те, що розробка методу почалася в 1970-х роках, останні досягнення в детекторній технології та алгоритмах програмного забезпечення дозволили визначити біомолекулярні структури з роздільною здатністю, близькою до атомної. Це привернуло широку увагу до підходу як альтернативи рентгенівській кристалографії або ЯМР-спектроскопії для визначення макромолекулярної структури без необхідності кристалізації.

  • Структурована розробка ліків
    Успішні результати структурованої розробки ліків забезпечити складно. Наприклад, структури мембранних білків або великих макромолекулярних комплексів часто не можуть бути достатньо швидко визначені за допомогою кристалографії або ЯМР, щоб вчасно скерувати процес розробки ліків. Незважаючи на те, що мембранні білки становлять 60% мішеней ліків, з них доступними кристалічними структурами для цих типів аналізу є лише 2%. Це означає, що розробка ліків здебільшого виконується без уявлень структури мішеней, що призводить до втрати значної частини інструментарію дослідника.
    Сучасний, так званий, “раціональний” підхід до розробки ліків вимагає спостереження за взаємозв’язками між структурою та активністю препаратів. Це мінімізує кількість сполук, які необхідно синтезувати та аналізувати, що дає можливість отримати високоефективні лікарські препарати-кандидати за меншу кількість ітерацій та суттєво зменшує час виходу лікарського засобу на ринок. Завдяки новітнім технологічним досягненням, а саме покращенню досяжної роздільної здатності, пропускної здатності та простоти використання, кріо-ЕМ є беззаперечним лідером, особливо, коли мова йде про надефективний вибір методу для визначення структури великих білкових комплексів, GPCR, іонних каналів і комплексів антитіл.
  • Дослідження нейродегенеративних захворювань
    В області досліджень хвороб Альцгеймера, Паркінсона, Хантігтона, бічного аміотрофічного склерозу та інших патологій нейродегенеративного характеру, відкрились нові горизонти у встановленні їх молекулярних основ, що сприяє розробці терапевтичних засобів, які зможуть уповільнити або зупинити перебіг хвороби.
    Технологія кріо-ЕМ дозволяє охарактеризувати великі площі зразків та макромолекулярні білки, що є критично важливим у нейродегенеративних патологіях, причинами яких є агломерація та преципітація складних білкових агрегатів. Наприклад, за допомогою кріо-ЕМ розкриті атомні структури численних білків, таких як тау-нитки, ɑ-синуклеїнові фібрили та амілоїдні ß-агрегати, а також малі молекули-кандидати на ліки, які зв’язуються з цими структурами.
    Структура і функція білка корелюють між собою. Таким чином, розуміючи структурні особливості білкових агрегатів, пов’язаних із нейродегенеративними захворюваннями, можна отримати відповіді на низку принципових питань: як утворюються ці агрегати; як взаємодіють з клітинним середовищем і як змінюють функцію мозку.
    Такі структури великих мембранних (переважно некристалічних) білків та складних білкових комплексів практично неможливо дослідити методами кристалографії та ЯМР, проте вони можуть бути ефективно досліджені за допомогою кріо-ЕМ без необхідності вирощування кристалів. За допомогою кріо-ЕМ аналізуються складні конформації, структури та модифіковані форми білків; декілька конформацій можна навіть досліджувати в одному зразку.
  • Вірусологія
    Глобалізація світу збільшує загрози пандемій, інфекційні захворювання поширюються великими територіями все швидше та ефективніше.  Розуміння природи та структури вірусів, з метою розробки нових ефективних антибіотиків та вакцин, є життєво необхідним для швидкої мінімізації їхнього руйнівного впливу. Технологія кріо-EM використовується для вивчення морфології вірусів, дозволяючи визначити структуру вірусів, таких як Зіка, Ебола, ВІЛ і коронавіруси.
    Визначення 3D структури зовнішньої оболонки вірусів є принципово важливим. Роздільна здатність, яку надає кріо-ЕМ, близька до атомної і має вирішальне значення для розуміння молекулярних механізмів взаємодії антиген-антитіло.Кріо-EM має кілька методів, які можуть відобразити структуру вірусу, вірусні білки та імунні комплекси вірус-антитіло в 3D : аналіз окремих частинок, кріо-електронна томографія (кріо-ЕТ) і мікроелектронна дифракція (MicroED). Перевагою цих методів є можливість спостереження за цими біологічними структурами в їх майже нативних станах.
    Завдяки отриманим даним про 3D-структуру вірусу, лікування може бути реалізовано на молекулярному рівні, що значно підвищує його специфічність та успішність, а терапевтичні засоби можуть бути розроблені швидше та ефективніше.
    Аналіз окремих частинок здатний визначати структури високої роздільної здатності макромолекулярних комплексів, таких як «шиповий» білок коронавірусів. Кріо-електронна томографія надає інформацію про структуру в ширшому клітинному контексті, таку як збирання вірусів у бактеріях. Технологія кріо-EM також допомагає подолати проблеми, пов’язані з очищенням вірусів і однорідністю білку.
    Все частіше структури, отримані за допомогою кріо-ЕМ, використовуються для картування білкових епітопів, визначаючи сайти специфічного зв’язування. Ці ітераційні дослідження дають змогу зрозуміти мутації антитіл, прискорюючи відкриття та розробку більш специфічних і ефективних вакцин або противірусних методів лікування.
  • Дослідження раку
    Геномна цілісність і регуляція росту клітин лежать в основі раку. Білки відіграють велику роль у опосередкуванні цих механізмів. Cryo-EM стала безцінним інструментом для характеристики цих білкових структур і визначення того, як вони поводяться під час ключових клітинних функцій і механізмів. Cryo-EM продовжує революціонізувати наше розуміння раку. Протягом останніх кількох років вчені використовували кріо-ЕМ для виявлення нових шляхів розвитку раку, що дозволило їм отримати опис на атомарному рівні ключових білкових мішеней раку та основу для вдосконалення фармацевтичних втручань.
  • Аналіз окремих частинок
    Кріо-ЕМ техніка, яка дозволила визначати близькоатомну структуру складних білків і білкових комплексів без необхідності кристалізації. Зразки можна досліджувати безпосередньо в розчині. Збір високоякісних даних за допомогою кріо-ЕМ був полегшений завдяки останнім досягненням у підготовці зразків та обробці даних.
  • Мікрокристалічна електронна дифракція (MicroED)
    Дозволяє швидко з високою роздільною здатністю визначити структуру малих молекул і білків. Атомні деталі можна виділити з окремих нанокристалів (розміром <200 нм) навіть у гетерогенній суміші. Дані збираються на кріо-ТЕМ з використанням електронів як падаючого променя.
  • Кріоелектронна томографія (Cryo-ET)
    Кріоелектронна томографія забезпечує 3D-візуалізацію внутрішньої частини клітини без міток і фіксації в нанометровому масштабі та візуалізує білкові комплекси в їхньому фізіологічному середовищі.

Krios G4 Cryo-TEM

1671733934412

Glacios 2 Cryo-TEM

1677536147342

Tundra Cryo-TEM

1675901825929

Якщо ви знайшли помилку, будь ласка, виділіть фрагмент тексту та натисніть Ctrl+Enter.

Повідомити про помилку

Текст, який буде надіслано нашим редакторам: