Onderzoekers van de Tokyo Metropolitan University hebben met succes de hoge resolutie, driedimensionale structuur van eiwitten in levende eukaryote cellen. Ze combineerden "in-cell" nucleaire magnetische resonantie (NMR) spectroscopie, een bioreactorsysteem en geavanceerde computationele algoritmen om voor het eerst eiwitstructuren in overvolle intracellulaire omgevingen te bepalen. De techniek belooft inzicht in het intracellulaire gedrag van ziekteverwekkende eiwitten en nieuwe toepassingen voor het screenen van geneesmiddelen, waardoor in-situ visualisatie mogelijk is van hoe eiwitten reageren op biochemische stimuli.

Eukaryotische cellen zijn de bouwstenen van een groot aantal organismen, inclusief alle schimmels, Planten en dieren. Hun interne structuur is uiterst complex en gevarieerd, met een ingewikkelde structurele hiërarchie en een breed scala aan biomacromoleculen verspreid over een cytoskeletnetwerk. Dit heeft het moeilijk gemaakt om te zien wat elk eiwit in de cellen doet in zijn natuurlijke omgeving, ondanks de voor de hand liggende biomedische voordelen van weten, bijv. hoe een bepaald eiwit reageert wanneer cellen worden blootgesteld aan chemische stimuli, zoals farmaceutische medicijnen.

Om deze uitdaging aan te gaan, een team van de Tokyo Metropolitan University onder leiding van assistent-professor Teppei Ikeya en professor Yutaka Ito paste nucleaire magnetische resonantie (NMR)-spectroscopiemetingen toe op specifieke eiwitten die binnenin tot expressie worden gebracht sf9 gekweekte insectencellen, een stam cellen die oorspronkelijk is afgeleid van een soort mottenlarve die veel wordt gebruikt voor de productie van eiwitten. Het baanbrekende NMR-werk van het team was er al in geslaagd om eiwitstructuren met een hoge resolutie in bacteriën (niet-eukaryoten) op te helderen. Het probleem met het simpelweg toepassen van dezelfde technieken op eiwitten in sf9 cellen was de significant lagere concentratie van doeleiwitten en korte levensduur van cellen, waardoor het moeilijk is om multidimensionale NMR-spectra van hoge kwaliteit te verzamelen voor nucleaire Overhauser-effectspectroscopie (NOESY), die nauwkeurige informatie zou geven over hoe verschillende atomen zich in individuele moleculen bevinden. Dus, ze combineerden een schaars, op steekproeven gebaseerd snel NMR-meetschema met ultramoderne rekenmethoden die gebruik maakten van statistische technieken zoals Bayesiaanse inferentie, methoden die zijn toegesneden op het efficiënt ophelderen van eiwitstructuren op basis van een beperkte hoeveelheid structurele informatie van in-cel NMR-spectra met inherent lage gevoeligheid. In het NMR-apparaat was ook een bioreactorsysteem uitgerust dat de cellen tijdens de metingen in een gezonde staat hield.

Met deze nieuwe gegevens het team was in staat om de 3D-structuur van drie modeleiwitten op te helderen met een ongekend hoge resolutie, met een precisie van 0,5 Angstrom (0,05 nanometer) voor de positie van de atomen van de hoofdketen van het eiwit. Vooral, ze identificeerden een significant andere conformatie in een gelokaliseerd gebied van een van de eiwitten in vergelijking met de referentiestructuur in verdunde oplossing. Het conformationele verschil tussen eiwitten "in cellen" en "in reageerbuizen" werd vermoedelijk veroorzaakt door niet-specifieke interacties met andere moleculen in de cellen. Het wordt duidelijk dat deze interacties bijdragen aan de biologische functies van de eiwitten:het vermogen om structurele veranderingen van eiwitten in een intracellulaire omgeving te lokaliseren en te kwantificeren zal naar verwachting een significante impact hebben op biomedisch onderzoek, waardoor het mogelijk is om te zien hoe verschillende omstandigheden b.v. neurodegeneratieve ziekten beïnvloeden eiwitconformaties in situ, en kwantitatief nagaan hoe behandelingen structurele anomalieën beïnvloeden.