Белки – это основные строительные блоки жизни. Химический состав и структура белков важны для их биологической функции. Действительно, структура белков определяет их механические и каталитические свойства (e.грамм. ферменты). Такие функции буквально формируют все живые существа.
Кроме того, структура белка также играет важную роль во многих заболеваниях. Например, вторичная структура белка (имеет ли он спиральные (альфа) или пластинчатые (бета) внутренние субструктуры) очень важна в патогенетическом механизме, приводящем к болезни Альцгеймера, Паркинсона и другим нейродегенеративным заболеваниям.
Несмотря на то, что для изучения химии и структуры белков были разработаны различные методы, распознавание и картирование вторичной структуры в нанометровом масштабе или даже с учетом чувствительности к одному белку все еще остается серьезной проблемой. Новый метод инфракрасной спектроскопии, называемый нано-FTIR, теперь позволяет получать наноразмерные химические изображения и зондировать вторичную структуру белка с огромной чувствительностью.
нано-FTIR – это оптический метод, сочетающий в себе сканирующую ближнепольную оптическую микроскопию рассеянного типа (s-SNOM) и инфракрасную спектроскопию с преобразованием Фурье (FTIR).
Последний является инструментом, часто используемым для изучения вторичной структуры белков, который, однако, не позволяет наноразмерное картирование белков само по себе. В нано-FTIR острый металлизированный наконечник освещается широкополосным инфракрасным лазерным лучом, а обратно рассеянный свет анализируется с помощью специально разработанного спектрометра с преобразованием Фурье.
С помощью этого метода исследователи теперь могут продемонстрировать локальную инфракрасную спектроскопию белков с пространственным разрешением менее 30 нм.
"Наконечник действует как антенна для инфракрасного света и концентрирует его на самой вершине наконечника.
Таким образом, нанофокус на вершине наконечника можно рассматривать как сверхмалый источник инфракрасного света. Он настолько мал, что освещает только область размером около 30×30 нм, что соответствует размеру крупных белковых комплексов », – говорит руководитель проекта Райнер Хилленбранд.
Чтобы продемонстрировать универсальность нано-FTIR для спектроскопии белков с наноразмерным разрешением, исследователи измерили инфракрасные спектры отдельных вирусов, комплексов ферритина, пурпурных мембран и фибрилл инсулина. «Все они демонстрируют вариации своей вторичной структуры, – описывает Ибан Аменабар, который проводил эксперименты по наноспектроскопии, – вирусы и ферритин в основном состоят из альфа-спиральных структур, в то время как фибриллы инсулина в основном состоят из структур бета-листов.Саймон Поли, биолог в команде, объясняет, что «в смеси фибрилл инсулина и нескольких вирусов стандартная ИК-Фурье спектроскопия не выявила присутствия альфа-спиральных вирусов.
Путем исследования белковых наноструктур одну за другой с помощью нано-FTIR мы можем четко идентифицировать вирус, то есть альфа-спиральные структуры внутри бета-листовых."
Важным аспектом огромной практической значимости является то, что нано-FTIR-спектры белков очень хорошо совпадают с обычными FTIR-спектрами, в то время как пространственное разрешение увеличивается более чем в 100 раз. «Мы смогли измерить инфракрасные спектры даже отдельных частиц ферритина. Это белковые комплексы всего из 24 белков.
Масса одного ферритинового комплекса чрезвычайно мала, всего 1 аттограмма, но мы могли четко распознать его альфа-спиральную структуру », – говорит Аменабар.
Исследователи также изучили отдельные фибриллы инсулина, которые являются модельной системой нейродегенеративных заболеваний. Известно, что инсулиновые фибриллы имеют ядро бета-листовой структуры, но их полная структура до сих пор полностью не выяснена. «В спектрах нано-FTIR отдельных фибрилл мы распознали не только бета-листовую структуру, но и альфа-спиральные структуры, которые могут иметь отношение к ассоциации фибрилл», – говорит Александр Биттнер, руководитель группы самосборки в nanoGUNE.
"Мы рады новым возможностям, которые предлагает нано-FTIR.
Благодаря более острым наконечникам и улучшенной функции антенны мы также надеемся получить инфракрасные спектры отдельных белков в будущем. Мы видим множество приложений, таких как изучение конформационных изменений в амилоидных структурах на молекулярном уровне, отображение наноразмерных модификаций белков в биомедицинских тканях или картирование мембранных белков без меток.
Это может привести к новой эре в инфракрасной нано-биоспектроскопии », – заключает Райнер Хилленбранд, глава группы нанооптики в nanoGUNE.