Две группы биофизиков независимо друг от друга применили флуоресцентный наноскоп для исследования движения белка кинезина-1 по микротрубочкам цитоскелета. Одна группа ученых подробно изучила конформации шагающего кинезина, а другая смогла проследить за прогулкой белка по микротрубочкам in vivo.

Обе статьи (раз, два) опубликованы в журнале Science.

Кинезины – это семейство моторных белков, которые умеют перемещаться по микротрубочкам цитоскелета клетки. Причем их движение очень напоминает шаги человека. Главная функция этих белков – это клеточный транспорт. Они умеют связываться с другими молекулами и переносить их в разные части клетки. При этом энергию эти белки получают за счет гидролиза АТФ.

На переднем плане — траектория движения одной молекулы кинезина-1 в живой клетке, полученная с помощью наноскопа MINFLUX. На заднем плане — траектории многих молекул кинезина, наложенных на изображение микротрубочек живой клетки. Изображение микротрубочек ученые получили с помощью конфокального микроскопа, а траектории — с помощью MINFLUX. Jan O. Wolff et al. / Science, 2023

По сути кинезины представляют собой молекулярные машины внутри живого организма. Но подробно наблюдать за их движением под микроскопом ученые так и не научились. Дело в том, что обычные световые микроскопы ограничены дифракционным пределом и не могут фокусировать свет на нанометровых объектах. А более точные микроскопы – например, атомно-силовой микроскоп, неприменимы для исследования живых клеток.

А вот флуоресцентные микроскопы высокого разрешения (наноскопы), за которые в 2014 году трем ученым дали Нобелевскую премию по химии, могут работать в живых клетках. Но даже самые продвинутые флуоресцентные наноскопы редко дают рассматривать объекты размером меньше 20 нанометров, а уж тем более следить за их движением. И чтобы проследить за белком размером в несколько нанометров, ученым пришлось использовать самые новые технологии.

Схема локализации флуоресцирующей молекулы (показана желтой звездой) микроскопом MINFLUX. Roman Schmidt et al. / Nature Communications, 2021

Так, в 2017 году физики из Германии под руководством одного из Нобелевских лауреатов 2014 года Штефана Хелля (Stefan Hell) сообщили об изобретении флуоресцентного наноскопа MINFLUX с разрешением в несколько нанометров.

Принцип его работы был основан на поиске минимума флуоресценции. Идея была в том, что интересующая ученого молекула-флуорофор в темном центре кольцеобразного пучка света не флуоресцирует – и этот минимум флуоресценции можно найти с очень высокой точностью. А при небольшом смещении относительно центра пучка молекула попадает под интенсивное излучение и начинает флуоресцировать – в этот момент «бублик» света смещается вслед за молекулой так, чтобы его темный центр снова находился над ней. И после многих итераций смещения молекулы и поиска минимума флуоресценции получается траектория движения нанометрового объекта в двумерном или трехмерном пространстве.

Недавно две группы биофизиков решили применить микроскоп MINFLUX для исследования движения кинезина-1 в клетках.