Электронная криомикроскопия: маленькие электроны для визуализации больших молекул

Криоэлектронная микроскопия (cryo-EM) позволяет наблюдать за структурой молекул бесконечно малых размеров: из чего она состоит?

Электронная микроскопия в значительной степени похожа на оптическую микроскопию, которая облучает объект видимым светом и перенацеливает лучи, отклоняемые объектом через линзы на сетчатке глаза или на экране. Используя соответствующие линзы, мы можем увеличить изображение, чтобы оценить более тонкие детали. В данном случае используется термин "разрешение" – способность видеть раздельно два объекта, которые находятся на минимальном расстоянии друг от друга. Разрешение человеческого глаза составляет приблизительно 0,1 миллиметра. С помощью оптических микроскопов, использующих видимый свет, можно достигнуть разрешения в 0,2 микрометра, что в 500 раз больше. Такое разрешение позволяет наблюдать отдельные клетки, но не меньшие объекты, такие как вирусы, белки и другие биологические молекулы.

Чтобы увидеть объекты еще меньшего размера, необходимо использовать что-то помимо видимого света – электроны. Электроны, субатомные частицы и, следовательно, гораздо меньшие, чем молекулы, которые мы хотим визуализировать, отклоняются от их пути атомами молекул, точно так же, как свет отклоняется краями объекта. Со специфическими линзами, сделанными из электрических полей, мы можем сфокусировать электроны и получить изображение молекул.

Данный метод может показаться тривиальным. Однако существуют технические сложности, которые ограничивали его использование в течение многих лет:

• молекулы в образце перемещаются, поэтому изображение, которое мы получаем, является размытым, что значительно ограничивает его разрешение;
• электроны являются частицами с высокой энергией и повреждают молекулы, которые они "зажигают". Это было преодолено введением криоэлектронной микроскопии, в которой образец охлаждается до -173,15 °C: при такой температуре вода образует своего рода стекло, молекулы иммобилизуются и ущерб, причиняемый электронами, также уменьшается (открытие удостоено Нобелевской премии).

Ниже приводится схематическое представление эксперимента с cryo-EM.

Остается последняя трудность: мы можем оценить трехмерное изображение объекта также потому, что мы можем смотреть на него с нескольких углов. В cryo-EM объект (молекула) сфотографирован с разных сторон. Таким образом, двухмерные изображения случайно ориентированных молекул используются для реконструкции трёхмерной формы молекулы с помощью компьютерных алгоритмов. Биохимики, в свою очередь, должны интерпретировать плотность электронов и создать протеиновую модель.

Cryo-EM — это передовая и чрезвычайно мощная техника, которая за последние несколько лет помогла определить структуру молекул, которые долгое время представляли Святой Грааль для многих исследователей. Структура белка SARS-Cov-2 Spike была определена через несколько месяцев после секвенирования вирусного генома, что позволило хорошо понять его взаимодействие с рецептором клеток ACE2. Однако, как и любой другой метод, он имеет свои ограничения: например, изучаемые молекулы должны быть достаточно большими. Другим, немаловажным фактором является стоимость самого микроскопа и его технического обслуживания.