Wetenschap
Elektronenvideografie legt de bewegende dans tussen eiwitten en lipiden vast
In een eerste demonstratie van 'elektronenvideografie' hebben onderzoekers een microscopisch bewegend beeld vastgelegd van de delicate dans tussen eiwitten en lipiden in celmembranen. De techniek kan worden gebruikt om de dynamiek van andere biomoleculen te bestuderen, waarbij de beperkingen worden losgelaten die microscopie beperkt hebben tot stilstaande beelden van vaste moleculen, zeggen onderzoekers van de Universiteit van Illinois Urbana-Champaign en medewerkers van het Georgia Institute of Technology.
"We gaan verder dan het maken van afzonderlijke momentopnamen, die structuur geven maar geen dynamiek, door voortdurend de moleculen in water vast te leggen, hun oorspronkelijke staat", zegt onderzoeksleider Qian Chen, hoogleraar materiaalkunde en techniek uit Illinois. "We kunnen echt zien hoe eiwitten hun configuratie veranderen en, in dit geval, hoe de hele zelf-geassembleerde structuur van eiwitten en lipiden in de loop van de tijd fluctueert."
De onderzoekers rapporteerden hun techniek en bevindingen in het tijdschrift Science Advances .
Elektronenmicroscopietechnieken maken beelden op moleculaire of atomaire schaal, wat gedetailleerde beelden op nanometerschaal oplevert. Ze vertrouwen echter vaak op monsters die zijn bevroren of op hun plaats zijn gefixeerd, waardoor wetenschappers moeten proberen af te leiden hoe moleculen bewegen en op elkaar inwerken, zoals wanneer ze proberen de choreografie van een danssequentie in kaart te brengen vanuit één enkel filmframe.
"Dit is de eerste keer dat we naar een eiwit op individuele schaal kijken en het niet hebben ingevroren of getagd", zegt Georgia Tech-professor Aditi Das, een corresponderende auteur van het onderzoek. "Meestal moeten we een eiwit kristalliseren of invriezen, wat uitdagingen met zich meebrengt bij het vastleggen van hoge-resolutiebeelden van flexibele eiwitten. Als alternatief gebruiken sommige technieken een moleculaire tag die we volgen, in plaats van naar het eiwit zelf te kijken. In deze studie zien we het eiwit zoals het is, gedraagt zich zoals het zich gedraagt in een vloeibare omgeving en ziet hoe lipiden en eiwitten met elkaar interageren."
De onderzoekers bereikten videografie door een nieuwe op water gebaseerde transmissie-elektronenmicroscopiemethode te combineren met gedetailleerde computationele modellering op atoomniveau. De op water gebaseerde techniek omvat het inkapselen van druppeltjes op nanometerschaal in grafeen, zodat ze bestand zijn tegen het vacuüm waarin de microscoop werkt. Door de resulterende videogegevens te vergelijken met moleculaire modellen, die laten zien hoe dingen zouden moeten bewegen op basis van de wetten van de natuurkunde, kunnen de onderzoekers hun experimentele gegevens niet alleen interpreteren maar ook valideren.
"Momenteel is dit echt de enige experimentele manier om dit soort bewegingen in de loop van de tijd te filmen", zegt John W. Smith, de eerste auteur van het artikel, die het werk voltooide toen hij nog studeerde in Illinois. "Het leven is vloeibaar en het is in beweging. We proberen op een experimentele manier de fijnste details van dat verband te achterhalen."
Voor de nieuwe studie – de eerste gepubliceerde demonstratie van de techniek van elektronenvideografie – onderzochten de onderzoekers schijven van lipidenmembranen op nanoschaal en hoe deze interageerden met eiwitten die normaal gesproken op het oppervlak van of ingebed in celmembranen voorkomen.
"Membraaneiwitten bevinden zich op het grensvlak tussen cellen en tussen de binnen- en buitenkant van de cel en controleren wat er in en uit gaat", aldus Smith. ‘Het zijn overwegend doelwitten voor de geneeskunde; ze zijn betrokken bij allerlei processen, zoals hoe onze spieren samentrekken, hoe onze hersenen werken, immuunherkenning; en ze houden cellen en weefsels bij elkaar. En de hele complexiteit van hoe een membraaneiwit werkt, komt voort uit niet alleen zijn eigen structuur, maar ook hoe hij de lipiden eromheen ervaart."
Dankzij elektronenvideografie konden de onderzoekers niet alleen zien hoe de hele lipiden-eiwitassemblage bewoog, maar ook de dynamiek van elke component. De onderzoekers ontdekten dat er verschillende regio's binnen de nanoschijf waren, en dat er zowel meer fluctuaties als meer stabiliteit waren dan verwacht.
Hoewel vaak wordt aangenomen dat de invloed van de beweging van een membraaneiwit beperkt is tot de lipidemoleculen die er direct omheen liggen, zagen de onderzoekers dramatischere fluctuaties over een groter bereik, aldus Smith. De fluctuaties namen de vorm aan van een vinger, alsof slijm op een muur spetterde. Maar zelfs na zo'n dramatische beweging zou de nanoschijf terugkeren naar zijn normale configuratie.
"Het feit dat we die domeinen zagen, en we zagen hoe ze zich herstelden van die processen, suggereert dat interacties tussen het eiwit en het membraan feitelijk een groter bereik hebben dan vaak wordt gedacht", aldus Smith.
De onderzoekers zijn van plan hun elektronenvideografietechniek te gebruiken om andere soorten membraaneiwitten en andere klassen van moleculen en nanomaterialen te bestuderen.
"Met dit platform zouden we ionkanalen kunnen bestuderen die open en dicht gaan om de stroom en cel-tot-cel-interacties te reguleren," zei Chen.
Qian Chen is ook verbonden aan de afdeling scheikunde, het Beckman Institute for Advanced Science and Technology, het Carle Illinois College of Medicine en het Materials Research Laboratory in Illinois.