초고해상도 형광 현미경의 주요 발전
MINFLUX 기술을 더 높은 공간 및 시간 정밀도로 추진하면 생리학적 조건에서 단백질 역학을 관찰할 수 있습니다.
날짜:
2023년 3월 16일
원천:
막스-플랑크-게젤샤프트
요약:
MINFLUX 기술을 더 높은 공간 및 시간 정밀도로 추진하면 생리학적 조건에서 단백질 역학을 관찰할 수 있습니다.
전체 이야기
하이델베르크에 있는 막스 플랑크 의학 연구소의 노벨상 수상자 스테판 헬이 이끄는 과학자들은 밀리초당 1나노미터의 시공간 정밀도를 가진 초고해상도 현미경을 개발했습니다. 최근 도입된 MINFLUX 초고해상도 현미경의 개선된 버전은 단일 단백질의 작은 움직임을 전례 없는 세부 수준으로 관찰할 수 있도록 했습니다. 모터 단백질 키네신-1이 ATP를 소모하면서 미세소관을 따라 걸을 때의 스테핑 동작입니다. 이 작업은 단백질에서 나노미터 크기의 형태 변화를 관찰하기 위한 혁신적인 새로운 도구인 MINFLUX의 힘을 강조합니다.
세포의 내부 작용을 밝히려면 개별 단백질의 생화학 지식이 필요합니다. 위치와 모양의 미세한 변화를 측정하는 것이 여기에서 핵심 과제입니다. 형광 현미경, 특히 초고해상도 현미경(즉, 나노스코피)은 이 신흥 분야에서 없어서는 안 될 요소가 되었습니다. 최근 도입된 형광 나노스코프 시스템인 MINFLUX는 이미 작은 유기 분자 크기인 1~수 나노미터의 공간 분해능을 달성했습니다. 그러나 분자 세포 생리학에 대한 우리의 이해를 다음 단계로 끌어올리려면 훨씬 더 높은 시공간 분해능으로 관찰해야 합니다.
Stefan Hell의 그룹이 2016년에 MINFLUX를 처음 발표했을 때 MINFLUX는 세포에서 형광 표지된 단백질을 추적하는 데 사용되었습니다. 그러나 이러한 움직임은 무작위적이었고 추적은 수십 나노미터 수준의 정밀도를 가졌습니다. 그들의 연구는 MINFLUX의 분해능을 단백질, 특히 운동 단백질 키네신-1의 형태 변화에 적용한 최초의 연구입니다. 이를 위해 Max Planck Institute for Medical Research의 연구원들은 단일 형광 분자를 추적하기 위한 새로운 MINFLUX 버전을 개발했습니다.
단백질 역학을 측정하기 위해 확립된 모든 방법에는 심각한 한계가 있어 매우 중요한 (서브)나노미터 / (서브)밀리초 범위를 다루는 능력을 방해합니다. 일부는 몇 나노미터까지 높은 공간 분해능을 제공하지만 변경 사항을 충분히 빠르게 추적할 수 없습니다. 다른 것들은 시간 분해능이 높지만 연구 중인 단백질보다 2~3배 더 큰 비드로 라벨링해야 합니다. 단백질의 기능은 이 크기의 비드에 의해 손상될 가능성이 있기 때문에 비드를 사용한 연구는 미해결 질문을 남깁니다.
단일 분자의 형광
그러나 MINFLUX는 단백질에 부착된 라벨로 표준 1nm 크기의 형광 분자만 필요하므로 고유 단백질 역학 연구에 필요한 분해능과 최소 침습성을 모두 제공할 수 있습니다. 그룹의 박사 과정 학생인 Otto Wolff는 "한 가지 과제는 이론적 한계에 가깝게 작동하고 환경 소음으로부터 보호되는 MINFLUX 현미경을 구축하는 데 있습니다."라고 말했습니다. "단백질 기능에 영향을 미치지 않으면서도 여전히 생물학적 메커니즘을 드러내는 탐침을 설계하는 것은 또 다른 일입니다."라고 그의 동료인 Lukas Scheiderer는 덧붙입니다.
연구원들이 지금 소개하는 MINFLUX 현미경은 밀리초당 최대 1.7나노미터의 시공간 정밀도로 단백질 움직임을 기록할 수 있습니다. 형광 분자에서 방출되는 약 20개의 광자만 감지하면 됩니다. Stefan Hell은 "개별 단백질의 역학 및 단백질이 기능하는 동안 모양이 어떻게 변하는지에 대한 연구에서 새로운 장을 열고 있다고 생각합니다."라고 말합니다. "MINFLUX가 제공하는 높은 공간적 및 시간적 해상도의 조합을 통해 연구원들은 이전과는 달리 생체 분자를 연구할 수 있습니다."
생리학적 조건에서 ATP로 kinesin-1의 스테핑 동작 해결
Kinesin-1은 우리 세포 전체에 화물을 운반하는 핵심 역할을 하며 단백질의 돌연변이는 여러 질병의 핵심입니다. Kinesin-1은 실제로 거리 네트워크처럼 우리 세포에 걸쳐 있는 필라멘트(미소소관)를 따라 '걷습니다'. 단백질에는 미세소관에서 교대로 위치를 바꾸는 두 개의 '머리'가 있기 때문에 움직임을 문자 그대로 '걸음'으로 상상할 수 있습니다. 이러한 움직임은 일반적으로 미세소관을 형성하는 13개의 원형필라멘트 중 하나를 따라 발생하며 세포의 주요 에너지 공급원인 ATP(아데노신 삼인산)의 분열에 의해 연료가 공급됩니다.
키네신-1을 라벨링하기 위해 단일 형광단만을 사용하여 과학자들은 정규 16nm를 기록했습니다. 나노미터/밀리초 시공간 분해능을 가진 개별 헤드의 단계 및 8nm 하위 단계. 그들의 결과는 하나의 머리가 미세소관에 결합되어 있을 때 ATP가 흡수되지만, 두 머리가 결합될 때 ATP 가수분해가 일어난다는 것을 증명했습니다. 또한 스테핑은 화물을 보유하고 있는 키네신 분자의 일부인 단백질 '줄기'의 회전과 관련이 있음을 밝혔습니다. MINFLUX의 시공간적 해상도는 또한 각 단계의 초기 단계에서 머리의 회전을 드러냈습니다. 의미심장하게도, 이러한 발견은 ATP의 생리학적 농도를 사용하여 이루어졌으며 지금까지 작은 형광 라벨로는 불가능했습니다.
단백질 역학 탐구의 미래 잠재력
"MINFLUX가 우리를 어디로 데려갈지 기대됩니다. 단백질이 어떻게 작용하는지에 대한 연구에 또 다른 차원을 추가합니다. 이것은 우리가 많은 질병의 메커니즘을 이해하고 궁극적으로 치료법 개발에 기여하는 데 도움이 될 수 있습니다."라고 Jessica Matthias는 덧붙입니다. 현재 다양한 생물학적 질문에 대한 MINFLUX의 응용 프로그램을 탐색하고 있는 이전 Hell 그룹의 박사후 과정 과학자입니다.
출처 : https://www.sciencedaily.com/