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.