В другой статье, опубликованной 8 ноября в журнале Physical Review Letters, исследователи детально описали принцип действия нового микроскопа. Он представляет собой "улучшенную версию" так называемого оптического пинцета, давно используемого биологами для исследования живых клеток и белковых макромолекул. Новый микроскоп способен захватывать молекулу протеина с помощью инфракрасного излучения и отображать ее состояние и перемещение в режиме реального времени.
"В экспериментах, описанных в журнале Nature, мы получили изображения с детализацией, которая превосходит разрешение изображений, полученных с помощью любых современных средств исследования белков, - объясняет Стив Блок, профессор физики и биологии. - Мы получили изображения с разрешением в один ангстрем, что составляет десятую часть нанометра, или эквивалентно диаметру атома водорода. Изображения, получаемые с помощью современных техник, могут оперировать только с нанометрами, и, соответственно, изображение белка, полученное с помощью традиционного оборудования, в десять раз грубее картинки, получаемой на нашем микроскопе".
Блок и коллеги решили с помощью нового микроскопа решить один из фундаментальных вопросов молекулярной биологии, называемый "основной догмой". Он заключается в детальном описании механизмов транскрипции ДНК и последующего синтеза белков.
Рис. 1. Процесс транскрипции ДНК
Ученые остановили свой исследовательский взгляд на проблеме транскрипции молекулы ДНК, т.е. на изучении механизмов переписывания информации с ДНК на молекулу РНК, с которой уже происходит синтез белков. Процесс этот начинается с "включения" энзима РНК-полимераза (RNAP). Этот энзим синтезирует новую цепочку РНК, химически "копируя" каждый нуклеотид ДНК. При этом он перемещается вниз по молекуле до конца определенного гена, оставляя за собой новую синтезированную копию РНК. "РНКп - один из самых важных в природе энзимов, - говорит Блок. - Поэтому понимание того, как происходит копирование ДНК, очень важно для молекулярной биологии, генной инженерии и медицины. Без РНК не было бы синтеза белков, а без него - жизни вообще".
Уже много лет известно, что РНК синтезируется постепенно - в одну единицу времени синтезируется один нуклеотид. Но остается открытым вопрос: как при этом перемещается вдоль молекулы ДНК энзим РНК-полимераза. То ли он скользит вдоль нуклеотидов, то ли перепрыгивает от одного к другому. Этот последний процесс был назван дискретным перемещением. Ученые приводят пример с чтением книги: когда глаза скользят по строке, то взгляд не останавливается на отдельных буквах, а "глотает" слова целиком, перепрыгивая от одного к другому. До сих пор ведутся дебаты о том, каким именно образом происходит копирование ДНК. Но разрешить их стало возможным только с появлением нового микроскопа, о чем и рассказали исследователи в журнале Nature.
Нуклеотиды А, Т, Г или Ц в молекуле ДНК разделены промежутком в 3.4 ангстрема, поэтому современные микроскопы с пределом разрешения в 10 ангстрем не могли помочь узнать, как происходит перемещение энзима. Работа по улучшению "оптического пинцета" микроскопа велась исследователями почти десятилетие.
Рис. 2. Перемещение энзима. Модель составлена по результатам новой микроскопии
Для того, чтобы создать новый микроскоп, ученым пришлось преодолеть две проблемы, мешавшие достичь такого высокого разрешения. Это проблема флуктуации сигналов и проблема изгибания световых волн. Для "выпрямления" световых лучей ученые наполнили оптику микроскопа гелием, у которого коэффициент рефракции в десять раз ближе к коэффициенту рефракции вакуума, чем к коэффициенту обычного воздуха.
Также была немного изменена техника исследования молекулы ДНК с помощью "оптического пинцета". Вместо меток на концах молекулы ДНК ученые прикрепили метку к энзиму и РНК, что сделало возможным проследить движение энзима по ДНК.
В объектив нового микроскопа попал энзим РНК-полимераза бактерии E. coli. Ученые смогли приоткрыть тайну над процессом синтеза РНК. Как говорит Блок, "скорее всего, правильнее описывает передвижение энзима модель дискретного перемещения. РНК-полимераза - это молекулярная машина, которая получает энергию для продвижения вниз по ДНК от самой реакции копирования нуклеотидов. Представьте себе асфальтоукладчик, подзаряжающийся и едущий дальше от каждого метра проложенного им асфальта. Природа сделала нечто подобное. При этом молекулярная машина не скользит вдоль нуклеотидов, а перемещается от одного к другому скачками - дискретно".
Также Блок и его коллеги узнали, как именно происходит перемещение энзима вдоль ДНК. Ими была разработана модель, которую они назвали "тепловым храповиком". Так, Броуновское движение заставляет энзим постоянно колебаться то вперед, то назад по молекуле ДНК. Но синтезированные ранее основания РНК не дают РНК-полимеразе сделать "шаг назад", и, благодаря тепловому движению, энзим постоянно перемещается вперед, синтезируя все больше и больше оснований.
Исследования ученых не остановились на одной РНК-полимеразе. Новый микроскоп позволил изучить четвертичную структуру многих белков, что ранее было довольно трудной процедурой. По сравнению с кристаллографией новый микроскоп позволит получить данные о белке намного быстрее.
