Cách Cryo-EM nắm bắt động lực học của protein

Protein không phải là tượng - chúng di chuyển, xoắn, gấp lại và thay đổi hình dạng liên tục. Hiểu được chuyển động này là chìa khóa để mở khóa cách sự sống hoạt động ở cấp độ phân tử. Và đó là nơi Cryo-EM bước vào bức tranh. Kỹ thuật hình ảnh tiên tiến này đang làm cho nó có thể nắm bắt các protein không phải dưới dạng cấu trúc tĩnh, mà trong chuyển động - từng khung hình - cung cấp một cửa sổ rõ ràng hơn về chức năng của chúng. Tại Longlight Technology, chúng tôi đã tận mắt chứng kiến cách Cryo-EM đang định hình lại sinh học cấu trúc. Là nhà sản xuất thiết bị phòng thí nghiệm chính xác, chúng tôi tự hào hỗ trợ cuộc cách mạng khoa học này bằng các công cụ được thiết kế để rõ ràng, tốc độ và độ chính xác.

(Nắm bắt động lực học cấu hình của protein gai SARS-CoV-2)

Kính hiển vi điện tử lạnh (Cryo-EM) là một công cụ sinh học cấu trúc thiết yếu được áp dụng rộng rãi trong nghiên cứu y sinh tiên tiến. Ví dụ, nó được sử dụng để nắm bắt động lực cấu trúc của protein gai SARS-CoV-2, điều này rất quan trọng để hiểu cơ chế xâm nhập của vi rút và hỗ trợ trực tiếp cho việc thiết kế vắc-xin và kháng thể trung hòa trong đại dịch COVID-19 (Wrapp và cộng sự, Khoa học, 2020). Một ứng dụng chính khác nằm ở việc nghiên cứu sự gấp sai protein và sự hình thành sợi amyloid trong các bệnh thoái hóa thần kinh như bệnh Alzheimer, giúp các nhà nghiên cứu làm sáng tỏ cơ sở phân tử của sự kết hợp bệnh lý (Fitzpatrick và cộng sự, Nature, 2017). Cryo-EM cho phép hình dung các phức hợp protein lớn và động ở độ phân giải gần nguyên tử mà không cần kết tinh, làm cho nó không thể thiếu để nghiên cứu các quá trình sinh học phức tạp ở trạng thái tự nhiên của chúng.

(Các nhóm nghiên cứu của Đại học Thanh Hoa do Wang Xinquan và Xiang Ye dẫn đầu đã công bố một nghiên cứu tiết lộ một bước quan trọng trong việc coronavirus xâm nhập vào tế bào chủ.)

(Bệnh Alzheimer và Bệnh Prion: Điểm tương đồng nổi bật trong quá trình gấp và nhân giống protein)

Xem các phân tử ở độ phân giải cao

Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học đã tìm kiếm các công cụ có thể tiết lộ cách các phân tử sinh học hoạt động - không chỉ là chúng trông như thế nào. Kính hiển vi điện tử lạnh truyền thống (Cryo-EM) đã đưa chúng ta đến gần hơn với mục tiêu này bằng cách cho phép các nhà nghiên cứu đóng băng các phân tử sinh học mỏng manh ở trạng thái ngậm nước tự nhiên của chúng và nghiên cứu chúng ở độ phân giải gần nguyên tử. Không giống như tinh thể học, đòi hỏi cấu trúc cố định, đồng nhất, Cryo-EM hoạt động với các protein phức tạp, linh hoạt - không cần kết tinh.

Cryo-EM đã cách mạng hóa sinh học cấu trúc bằng cách cho phép hình dung các phức hợp protein lớn, năng động trong cấu trúc tự nhiên của chúng. Thay vì cung cấp một chế độ xem cố định duy nhất, các kỹ thuật xử lý hình ảnh tiên tiến được áp dụng cho bộ dữ liệu Cryo-EM cho phép các nhà nghiên cứu tái tạo nhiều trạng thái cấu trúc từ các quần thể hạt không đồng nhất. Điều này cho thấy sự thay đổi cấu trúc mà trước đây không thể nhìn thấy - cung cấp thông tin chi tiết về cơ chế phân tử, tương tác protein-phối tử và điều hòa dị ứng.

Quan điểm này có ý nghĩa lớn:

✅Các enzyme phức tạp có thể được hình dung ở các trạng thái cấu trúc khác nhau, giúp làm rõ cơ chế xúc tác.

✅Các cấu trúc trung gian thoáng qua có thể được suy ra từ tính không đồng nhất của hạt, mang lại sự hiểu biết sâu sắc hơn về chức năng protein.

✅Liên kết phối tử, chuyển đổi cấu hình và sắp xếp đa miền có thể được nghiên cứu trong các điều kiện giống như bản địa, chẳng hạn như pH sinh lý và nhiệt độ.

Bằng cách cho phép các nhà khoa học hình dung kiến trúc phân tử với độ rõ nét đặc biệt, Cryo-EM lấp đầy khoảng trống lâu dài trong sinh học cấu trúc. Thay vì chỉ dựa vào ảnh chụp kết tinh hoặc mô hình gián tiếp, các nhà nghiên cứu giờ đây có thể nghiên cứu các máy phân tử sinh học đang hoạt động, ngay cả khi chỉ được suy ra từ hỗn hợp cân bằng. Cái nhìn sâu sắc đó không chỉ thỏa mãn về mặt học thuật - nó còn có giá trị thực tế. Từ phát triển thuốc đến sinh học tổng hợp, hiểu được cấu trúc đại phân tử trong điều kiện gần như tự nhiên sẽ mở ra cánh cửa cho sự đổi mới thông minh hơn, nhanh hơn.

Tại sao công nghệ này là một vấn đề lớn

Trong thế giới nghiên cứu protein, tính linh hoạt của cấu trúc thường là chìa khóa cho chức năng. Nhiều protein thay đổi giữa các cấu trúc khi chúng liên kết với các phân tử, xử lý chất nền hoặc truyền tín hiệu. Nắm bắt các trạng thái khác nhau này - đặc biệt là đối với protein màng, protein tổng hợp virus hoặc phức hợp đa tiểu đơn vị - là một thách thức đối với các phương pháp truyền thống.

Cryo-EM thay đổi điều đó. Nó cung cấp cho các nhà nghiên cứu khả năng đóng băng các phân tử sinh học ở trạng thái chức năng của chúng - mà không làm biến dạng hình dạng tự nhiên của chúng. Đây là một bước tiến lớn đối với sinh học cấu trúc, đặc biệt là khi nghiên cứu các protein không ổn định, rối loạn hoặc tồn tại trong nhiều cấu hình.

Điều làm cho phương pháp này thực sự thay đổi cuộc chơi là tính thực tế của nó:

• Làm việc với khối lượng mẫu quy mô nanolit, tiết kiệm vật liệu sinh học quý giá
• Bỏ qua hoàn toàn quá trình kết tinh lâu dài, khó khăn
• Bảo tồn trạng thái hydrat hóa tự nhiên, giữ cho các phân tử có liên quan về mặt sinh học
• Giải quyết các cấu trúc không đồng nhất từ một tập dữ liệu duy nhất

Những lợi thế này mở ra những khả năng mới để nghiên cứu mọi thứ, từ cơ chế xâm nhập của virus đến protein vận động và enzym tín hiệu. Trong khám phá thuốc, nơi hiểu được cấu trúc liên kết chính xác của một phân tử có thể quyết định thành công trong điều trị, Cryo-EM cung cấp những hiểu biết cấu trúc thiết yếu mà các phương pháp tĩnh thường bỏ qua.

Tại Longlight Technology, chúng tôi đã xây dựng các hệ thống Cryo-EM của mình với những nhu cầu này. Nền tảng của chúng tôi hỗ trợ thủy tinh hóa cực nhanh, hình ảnh có độ tương phản cao và điều khiển chính xác để ghi lại mọi chi tiết cấu trúc. Cho dù bạn đang khám phá cấu trúc enzyme hay sự gấp sai protein trong bệnh tật, các công cụ của chúng tôi sẽ giúp làm cho những thứ vô hình trở nên hữu hình - rõ ràng, chính xác và tự tin.

Đằng sau các công cụ tại Longlight Technology

Là một công ty, chúng tôi không chỉ tập trung vào máy móc - chúng tôi tập trung vào tương lai của khoa học. Tại Longlight Technology, chúng tôi thiết kế và sản xuất các dụng cụ phòng thí nghiệm cao cấp, vật tư tiêu hao bộ gen và các giải pháp sinh học cấu trúc phù hợp với nhu cầu nghiên cứu trong thế giới thực.

Cam kết của chúng tôi vượt ra ngoài việc cung cấp phần cứng. Khi nói đến Cryo-EM, chúng tôi cung cấp:

• Hỗ trợ quy trình làm việc hoàn chỉnh - Từ thủy tinh hóa đến phân tích dữ liệu, chúng tôi luôn đồng hành cùng bạn trong mọi bước

• Giải pháp hình ảnh linh hoạt - Cho dù bạn đang thực hiện phân tích đơn hạt hay chụp cắt lớp

• Hỗ trợ chuyên gia - Đội ngũ giàu kinh nghiệm của chúng tôi giúp tối ưu hóa thiết kế và đầu ra thử nghiệm của bạn

Ngoài Cryo-EM, danh mục của chúng tôi bao gồm các hệ thống siêu âm tập trung, bộ dụng cụ chiết xuất axit nucleic, vật tư tiêu hao ChIP-seq và các công cụ chuẩn bị NGS khác nhau. Mọi sản phẩm đều được chế tạo với độ tin cậy và độ chính xác, hỗ trợ các lĩnh vực từ sinh học cơ bản đến chẩn đoán lâm sàng.

Lời kết

Chúng ta đang bước vào một kỷ nguyên mới trong hình ảnh phân tử. Với Cryo-EM, các nhà nghiên cứu không còn cần phải chỉ dựa vào ảnh chụp nhanh gián tiếp hoặc tĩnh - họ có thể phân tích sự không đồng nhất về cấu trúc và trạng thái cấu hình với độ phân giải gần nguyên tử. Điều đó mở ra cánh cửa cho những khám phá mới trong mọi thứ, từ cơ chế enzyme đến thiết kế vắc-xin. Chúng tôi tin rằng công nghệ này sẽ đóng vai trò trung tâm trong việc hiểu cách sinh học thực sự hoạt động - trong không gian, cấu trúc và độ phức tạp. Là nhà sản xuất, chúng tôi tự hào khi biết rằng các thiết bị của chúng tôi giúp đẩy những ranh giới đó về phía trước. Chúng ta đã thấy Cryo-EM giúp các phòng thí nghiệm khám phá ra các kiến trúc protein mà trước đây không thể tiếp cận được - và đó mới chỉ là khởi đầu. Nếu bạn đã sẵn sàng khám phá ranh giới của cấu trúc phân tử, Công nghệ Longlight ở đây để trang bị cho phòng thí nghiệm của bạn các công cụ để thực hiện điều đó. Hãy xây dựng những khám phá làm thay đổi thế giới.