В реальном времени большие молекулы взаимодействуют с наносекундной скоростью, практически мгновенно, что делает их практически невозможными для наблюдения. Но ученые стали на шаг ближе к возможности наблюдать за своими движениями – по ходу игры – благодаря новой тонкой настройке прибора атомного масштаба инженерами Технологического института Джорджии.
Это достижение может когда-нибудь помочь исследователям выяснить, почему одни лекарства работают хорошо, а другие – хуже, и измерить детали того, как устроена жизнь в их основе.
Ясно видно атомные силы
Улучшение работает путем тщательного добавления электронного белого шума к чувствительному датчику внутри атомно-силового микроскопа (АСМ), который уже достаточно чувствителен, чтобы обнаруживать силы, проявляемые взаимодействующими молекулами, такими как белковые рецепторы и витамины. Но даже с этими способностями в нанометровом масштабе, в небольшом, но значительном смысле, АСМ может быть тупым инструментом.
«Зонд не может отследить самую глубокую часть взаимодействия», – сказал исследователь Тодд Сулчек, доцент Школы машиностроения Технологического института Джорджии. “Вы либо видите, как эти молекулы связаны вместе, либо не связаны. Он был либо черный, либо белый, но теперь нам удается получать разные оттенки серого.”
Сулчек и аспиранты Ахмад Хайдер и Дэниел Поттер опубликовали результаты своего инженерного решения в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences Early Edition на неделе 21 ноября 2016 г. Их исследование финансировалось Национальным научным фондом.
Конус, покачивающий консоль
У молекул есть тяговые лучи, пусть и слабые. Они натягивают друг друга множеством слабых сил, таких как взаимодействия Ван-дер-Ваальса, в основном возникающие из-за того, что отрицательные или положительные полярности распространяются вокруг молекул.
Атомно-силовые микроскопы измеряют эти притягивающие энергии, прикрепляя наноразмерный конусообразный зонд близко к молекулам, чтобы почувствовать силы, возникающие при их взаимодействии. Конус прикреплен к консоли, гибкой крошечной палочке, и заставляет его покачиваться, поскольку атомные силы тянут конус в ту или иную сторону.
Кантилевер передает дрожание в микроскоп, который превращает его в полезный сигнал так же, как игла проигрывателя передает вибрации от пластинки, которые преобразуются в звук.
Результирующий сигнал иллюстрирует то, что называется энергетической скважиной. Верх лунки – это точка, в которой силы сцепления вот-вот начнут действовать, а нижняя – это точка, где молекулы встречаются.
Падение в энергетический колодец
Но по мере того, как силы притягивают конус и наблюдаемые молекулы ближе друг к другу, в какой-то момент они в основном дергаются, мешая детальному измерению градиента энергии. В результате, когда конус приближается к взаимодействующим молекулам, исследователи видят вершину энергетической ямы и конец взаимодействия, но детали стенок ямы, особенно глубоко внизу, где молекулы наиболее тесно взаимодействуют, неизменно ускользают от них.
«То, как мы это обошли, было то, что мы просто добавили некоторый электронный шум четко определенным образом, и это позволило зонду почувствовать взаимодействие, когда он все еще находился относительно далеко от поверхности молекул», – сказал Сулчек. Электронная вибрация, называемая усиленной стохастической флуктуацией, также ослабила эффект сил сцепления, которые в противном случае схватили бы кантилевер и молекулы вместе.
«Я считаю аккуратным то, что это противоречит здравому смыслу, потому что вы обычно пытаетесь устранить шум в своей системе, чтобы получить более точные измерения, но мы добавляем шум», – сказал Сулчек. Улучшение позволяет обойти потенциальную погрешность, вызванную добавлением шума, позволяя исследователям брать больше образцов и более длинные, эффективно нейтрализуя влияние шума на общие данные.
Добавление шума может показаться простым, но Хайдеру и Поттеру потребовалось два добрых года, чтобы понять, как это может работать, и внести утомительную настройку инструментов.
Бактериальные тиски для балета
Исследователи использовали взаимодействие между кантилевером и материалом под названием слюда, чтобы завершить разработку усовершенствования. Слюда имеет предсказуемую форму и заряд, хорошо подходит для тестирования – очень гладкая. “Слюда атомарно плоская”, – сказал Сулчек. “Это и графит – две самые плоские поверхности, которые вы можете построить.”
Теперь команда Сульчека тестирует улучшенный кантилевер в биологическом сценарии – белок из бактерий Streptomyces avidinii, который с удвоенной силой поглощает витаминный биотин. Белок, стрептавидин, настолько прочно связывается с биотином, что исследователи обычно используют его для изучения молекулярной адгезии.
«Это самое сильное биологическое взаимодействие, известное науке», – сказал Сулчек. Захват тисков стрептавидина является стандартизированным испытательным случаем для недавно настроенного устройства. «Клапан открывается, и биотин помещается в него, как перчатка», – сказал Сулчек. “Мы хотим посмотреть, сможем ли мы посмотреть, как это происходит, и хорошо измерить его энергию.”
Рак, СПИД, аутоиммунные заболевания
Это приближает Сульчека к его мечте об инструменте для ускорения экспериментальных биомолекулярных исследований и потенциально может привести к открытиям, полезным для медицины. «Я хочу иметь инструмент для визуализации этих промежуточных шагов», – сказал он. “Мне нужен инструмент, чтобы увидеть эти недолговечные состояния.”
Исследователи могли бы использовать такой усовершенствованный инструмент, чтобы лучше понять аутоиммунные расстройства, иммунотерапию для лечения рака или способность ВИЧ препятствовать защите антител.
«Многие антитела имеют два сайта связывания, и для этого есть причина, но мы еще не понимаем почему», – сказал Сулчек. “Мы знаем, что вы не хотите, чтобы антитела взаимодействовали слишком сильно.”Когда они это сделают, это может привести к аутоиммунным заболеваниям.
«Существует множество терапевтических средств, в которых используются антитела, и некоторые из них работают хорошо, другие не работают», – сказал Сулчек.
Антитела могут не прикрепляться к ВИЧ оптимальным образом, например, потому что им трудно обернуться вокруг вируса.
Съемка неуклюжего действия в экстремально замедленной съемке может когда-нибудь помочь биомедицинским исследователям разработать более эффективное антитело, чтобы еще больше помешать вирусу.
Немного на этих днях про сигареты оптом в спб много интересного почитал, на мой взгляд это интересно и очень важно. Очень полезная информация.
