Физики создали «линейку», которая измеряет внутримолекулярные расстояния с точностью до атомного размера.

Белки представляют собой крупные молекулы (макромолекулы), состоящие из атомов углерода, водорода, азота и кислорода, формирующих множество аминокислот, соединённых между собой пептидной связью. Порой структура белка может нарушаться, что приводит к изменению их формы и может сказаться на функционировании этих макромолекул. Некоторые структурные изменения белков способны вызвать развитие ряда заболеваний, например, изменение структуры тау-белка, который отвечает за нормальную работу нейронов, может провоцировать болезнь Альцгеймера.

Для предсказания грядущих структурных изменений белков и понимания процессов, стоящих за этими изменениями, необходимо точно определить расстояние между атомами (и кластерами атомов) внутри этих макромолекул.

Группа немецких физиков под руководством Штеффена Сахла (Steffen Sahl) из Института многопрофильных наук Макса Планка разработала внутримолекулярную «линейку» MINFLUX, способную измерять расстояние внутри белков в диапазоне от 0,1 нанометра (ангстрем) до 10 нанометров, в зависимости от структуры белка. Об этом учёные сообщили в статье, опубликованной в журнале Science.

Для создания внутримолекулярной «линейки» Сахл и его коллеги применили флуоресценцию, которая позволяет молекулам светиться при поглощении кванта света. Физики прикрепили две маленькие флуоресцентные молекулы (помеченные фотоактивируемыми красителями) к различным участкам макромолекулы и затем осветили их лазерным лучом. Изучая свет, испускаемый светящимися молекулами, исследователи смогли измерить расстояние между ними.

С помощью этого метода было измерено внутримолекулярное расстояние для нескольких белков. Минимальное расстояние составило всего 0,1 нанометра — размер одного атома. Флуоресцентная «линейка» также обеспечивала результаты до 10 нанометров, что позволяет охватить более широкий диапазон измерений, чем с использованием многих традиционных оптических методов.

В одном из примеров исследователи изучили две разные структуры одного и того же белка и обнаружили, что могут их различать: эти структуры находились на расстоянии одного нанометра и четырёх соответственно. В другом эксперименте учёные измерили внутримолекулярное расстояние в раковой клетке.

По словам авторов исследования, достичь такой точности удалось благодаря применению ряда современных технологических достижений — более совершенных микроскопов и флуоресцентных молекул. Они не мерцают и не создают лишнего свечения, которое можно было бы спутать с другими эффектами.

В будущем немецкие физики планируют усовершенствовать свой метод и выяснить, для каких конкретно макромолекул флуоресцентная «линейка» окажется наиболее эффективной.