eng
Природа создает основные строительные единицы живых организмов - нуклеиновые кислоты, белки, полисахариды, другие наноструктуры - с точностью, недостижимой в настоящее время человеком в его практической деятельности. Наблюдение биологических объектов - наиболее увлекательное направление сканирующей зондовой микроскопии(СЗМ) [1].
В биологии существенную роль играют не только химический состав, но и форма этих макромолекул. Например, белковая молекула в разных пространственных расположениях может обладать существенно различной ферментативной активностью, причем к ее потере может привести смещение реакционного центра фермента на ничтожные значения. Самые маленькие машины - белки АТФ-синтазы, имеющие неподвижный статор и подвижный ротор, - также объекты живой природы. Линейная плотность записи информации в ДНК или РНК находится в области абсолютных рекордов.
Одиночные молекулы и комплексы
Размеры отдельных белковых молекул сравнимы с радиусом закругления зонда атомно-силового микроскопа (АСМ). На белках высокой молекулярной массы удается получать субмолекулярное пространственное разрешение, однако разрешить проблему упаковки цепей в небольших белках, например, лизоциме (молекулярная масса 14 кД), до сих пор не удавалось.
Известен ряд работ, где надежно удавалось отличить белковые мономеры от димеров и мультимеров (рис.1) [2] . Зондовую микроскопию можно использовать для регистрации биоспецифического связывания антиген-антитело, поскольку измерения размеров отдельных частиц и достигаемая точность позволяют отделить одиночные антитела и антигены от их комплексов. Зондовая микроскопия обеспечивает также получение информации о характере агрегирования белков и их связывании с нуклеиновыми кислотами. В работе [3], например, по полученным изображениям определен характер связывания транспортного белка с вирусной РНК (рис.2).
Кристаллы
При исследовании белковых кристаллов в насыщенных растворах проявляется существенное достоинство использования зондовой микроскопии в биологии, а именно, возможность наблюдения динамики процессов в естественной для многих биологических объектов жидкой среде (рис.3). Проведенные измерения позволили зарегистрировать кинетику роста дислокационных холмов и двумерных зародышей для многих белковых кристаллов на уровне отдельных молекул или строительных единиц [4, 5]. Например, для кристалла лизоцима были измерены скорости движения ступеней и изломов, вероятность присоединения и отсоединения строительных единиц, зависимость кинетических параметров от различных факторов (температуры, пересыщения и др.) [6].
АСМ микроскопия позволяет наблюдать с молекулярным разрешением структуру поверхности растущего кристалла и изучать упаковку молекул вблизи точечных дефектов, что недоступно для других методов высокого разрешения. Например, в работе [7] было обнаружено явление реконструкции поверхности кристалла, когда упаковка белковых молекул на ней отличается от объемной структуры.
Автор выражает благодарность Рособразованию (П255) и Программе "Наука для мира" НАТО (CBN.NR.NRSFP 983204) и РФФИ (10-04-01574-а и 10-02-06030-г).
ЛИТЕРАТУРА
1. Сканирующая зондовая микроскопия биополимеров / Под ред. И.В. Яминского. - М.: Научный мир, 1997.
2. Kiselyova O.I., Yaminsky I.V. Atomic force microscopy of protein complexes. In "Atomic Force Microscopy: Biomedical Methods and Applications" (Methods in Molecular Biology, v. 242), Ed. by P.C. Braga, D. Ricci. Humana Press, 2003, pp. 217-230.
3. Kiselyova O.I., Yaminsky I.V., Karger E.M., Frolova O.Yu., Dorokhov Y.L. and Atabekov J.G. Visualization by atomic force microscopy of tobacco mosaic virus movement protein-RNA complexes formed in vitro. - Journal of General Virology, 2001, 82, 1503-1508.
4. Malkin A.J., Kuznetsov Yu.G., McPherson A. In situ atomic force microscopy studies of surface morphology, growth kinetics, defect structure and dissolution in macromolecular crystallization - Journal of Crystal Growth, 1999,196, 471-488.
5. Malkin A.J., Kuznetsov Yu.G., Glantz W., McPherson A. Atomic force microscopy studies of surface morphology and growth kinetics in thaumatin crystallization - J. Phys. Chem., 1996, 100 (28), 11736-11743.
6. Yaminsky I.V., Gvozdev N.V., Sil'nikova M.I. and Rashkovich L.N. Atomic Force Microscopy Study of Lysozyme Crystallization. - Crystallography Reports, 2002, v. 47, Suppl. 1, pp. S149-S158.
7. Гвоздев Н.В., Рашкович Л.Н., Яминский И.В. Атомно-силовая микроскопия грани (010) кристаллов ромбического лизоцима. - Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2000, № 8, с. 73-77.
Одиночные молекулы и комплексы
Размеры отдельных белковых молекул сравнимы с радиусом закругления зонда атомно-силового микроскопа (АСМ). На белках высокой молекулярной массы удается получать субмолекулярное пространственное разрешение, однако разрешить проблему упаковки цепей в небольших белках, например, лизоциме (молекулярная масса 14 кД), до сих пор не удавалось.
Известен ряд работ, где надежно удавалось отличить белковые мономеры от димеров и мультимеров (рис.1) [2] . Зондовую микроскопию можно использовать для регистрации биоспецифического связывания антиген-антитело, поскольку измерения размеров отдельных частиц и достигаемая точность позволяют отделить одиночные антитела и антигены от их комплексов. Зондовая микроскопия обеспечивает также получение информации о характере агрегирования белков и их связывании с нуклеиновыми кислотами. В работе [3], например, по полученным изображениям определен характер связывания транспортного белка с вирусной РНК (рис.2).
Кристаллы
При исследовании белковых кристаллов в насыщенных растворах проявляется существенное достоинство использования зондовой микроскопии в биологии, а именно, возможность наблюдения динамики процессов в естественной для многих биологических объектов жидкой среде (рис.3). Проведенные измерения позволили зарегистрировать кинетику роста дислокационных холмов и двумерных зародышей для многих белковых кристаллов на уровне отдельных молекул или строительных единиц [4, 5]. Например, для кристалла лизоцима были измерены скорости движения ступеней и изломов, вероятность присоединения и отсоединения строительных единиц, зависимость кинетических параметров от различных факторов (температуры, пересыщения и др.) [6].
АСМ микроскопия позволяет наблюдать с молекулярным разрешением структуру поверхности растущего кристалла и изучать упаковку молекул вблизи точечных дефектов, что недоступно для других методов высокого разрешения. Например, в работе [7] было обнаружено явление реконструкции поверхности кристалла, когда упаковка белковых молекул на ней отличается от объемной структуры.
Автор выражает благодарность Рособразованию (П255) и Программе "Наука для мира" НАТО (CBN.NR.NRSFP 983204) и РФФИ (10-04-01574-а и 10-02-06030-г).
ЛИТЕРАТУРА
1. Сканирующая зондовая микроскопия биополимеров / Под ред. И.В. Яминского. - М.: Научный мир, 1997.
2. Kiselyova O.I., Yaminsky I.V. Atomic force microscopy of protein complexes. In "Atomic Force Microscopy: Biomedical Methods and Applications" (Methods in Molecular Biology, v. 242), Ed. by P.C. Braga, D. Ricci. Humana Press, 2003, pp. 217-230.
3. Kiselyova O.I., Yaminsky I.V., Karger E.M., Frolova O.Yu., Dorokhov Y.L. and Atabekov J.G. Visualization by atomic force microscopy of tobacco mosaic virus movement protein-RNA complexes formed in vitro. - Journal of General Virology, 2001, 82, 1503-1508.
4. Malkin A.J., Kuznetsov Yu.G., McPherson A. In situ atomic force microscopy studies of surface morphology, growth kinetics, defect structure and dissolution in macromolecular crystallization - Journal of Crystal Growth, 1999,196, 471-488.
5. Malkin A.J., Kuznetsov Yu.G., Glantz W., McPherson A. Atomic force microscopy studies of surface morphology and growth kinetics in thaumatin crystallization - J. Phys. Chem., 1996, 100 (28), 11736-11743.
6. Yaminsky I.V., Gvozdev N.V., Sil'nikova M.I. and Rashkovich L.N. Atomic Force Microscopy Study of Lysozyme Crystallization. - Crystallography Reports, 2002, v. 47, Suppl. 1, pp. S149-S158.
7. Гвоздев Н.В., Рашкович Л.Н., Яминский И.В. Атомно-силовая микроскопия грани (010) кристаллов ромбического лизоцима. - Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2000, № 8, с. 73-77.
Отзывы читателей
