Учёные научились превращать снимки атомно-силового микроскопа в точные 3D-модели движений белков

Международная команда исследователей из университетов Канадзавы и Нагои разработала новый вычислительный метод, который позволяет по двумерным изображениям атомно-силовой микроскопии высокой скорости (HS-AFM) восстанавливать трёхмерные атомарные модели движений белков. Работа открывает путь к более глубокому пониманию механизмов работы живых клеток на наномасштабе. Исследование проведено под руководством профессора Хольгера Флехзига (WPI-NanoLSI, Университет Канадзавы) и профессора Флоренс Тамы (WPI-ITbM, Университет Нагои, и Центр вычислительной науки R-CCS). Результаты опубликованы в журнале ACS Nano.

Как работает атомно-силовая микроскопия

HS-AFM — единственная экспериментальная технология, позволяющая наблюдать за белками в реальном времени, когда они изменяют свою форму и выполняют функции. Однако у этого метода есть ограничения: микроскоп сканирует поверхность с ограниченным пространственным разрешением, из-за чего невозможно увидеть все атомные детали. Чтобы восполнить этот пробел, исследователи создали вычислительный метод «гибкой подгонки» (flexible fitting), который использует известную статическую структуру белка и на её основе моделирует динамические изменения формы, соответствующие данным AFM-изображений.

От плоского снимка — к живой модели

Новый метод реализован в программной платформе BioAFMviewer, разработанной группой профессора Флехзига. Эта программа объединяет экспериментальные данные атомно-силовой микроскопии с существующими структурными моделями белков, создавая единый рабочий процесс: от получения снимков — до построения реалистичных 3D-моделей. Программа использует метод NMFF-AFM (Normal Mode Flexible Fitting), разработанный лабораторией Флоренс Тамы. Он позволяет быстро моделировать крупномасштабные движения белков с помощью итерационного анализа нормальных колебаний. В отличие от прежних подходов, новый алгоритм способен не только уточнять мелкие колебания, но и воспроизводить крупные функциональные движения, такие как изгибы и вращения молекул.

На шаг ближе к «молекулярному кино»

Учёные протестировали метод на ряде белков, чьи данные были получены с помощью HS-AFM их экспериментальными коллегами. Результаты показали, что «гибкая подгонка» позволяет реконструировать атомные модели, точно отражающие реальные движения молекул. Особенно впечатляющим примером стала обработка данных для актинового филамента — белковой структуры массой 4 мегадальтона, состоящей примерно из 280 000 атомов. Несмотря на гигантский объём информации, программа справилась с задачей благодаря оптимизации вычислений и использованию графических процессоров. Учёные даже создали молекулярный фильм, показывающий, как актиновый филамент меняет форму и взаимодействует с другими белками — по сути, визуализировали жизнь молекулы в движении.

Новый инструмент для молекулярной биологии

BioAFMviewer представляет собой не просто программу, а целую интерактивную платформу для анализа и визуализации биомолекулярных данных. Она сочетает: просмотр структур и симуляций, инструменты для анализа данных AFM, моделирование взаимодействий и динамики белков. Система поддерживает параллельные вычисления на видеокартах, что делает её достаточно быстрой даже для крупных молекулярных комплексов. «Наш подход объединяет эксперимент и моделирование, позволяя раскрыть то, что раньше было скрыто за пределами разрешения микроскопа», — отмечает профессор Тамa. — «Это открывает огромные перспективы для исследования биологических процессов на наномасштабе».

Значение открытия

Разработка учёных из Японии стала важным шагом в развитии структурной биологии. Теперь исследователи смогут получать точные трёхмерные модели динамики белков без необходимости сверхдорогих и трудоёмких экспериментов. Это не только ускоряет фундаментальные исследования, но и может привести к практическим приложениям — например, к более точному моделированию лекарственных мишеней, изучению мутаций, влияющих на структуру белков, и созданию новых методов диагностики.

Перспектива

По мнению авторов, потенциал нового метода огромен: он позволит полностью раскрыть объяснительную силу HS-AFM, применяя её для анализа движения отдельных молекул и крупных белковых комплексов. «Гибкая подгонка делает возможным то, что раньше казалось фантастикой — превращать статические снимки в живые молекулярные фильмы», — подытоживает профессор Флехзиг.

• Обычный кристалл оказался идеальным материалом для технологий на сверхнизких температурах
• Учёные создали уникальный гидрогель для «неклонируемых» меток безопасности
• Роботы нового поколения: в Caltech создали систему, которая может ходить, ездить и летать
• Учёные создали 3D-печатные материалы, которые полностью гасят вибрации
• Квантовые кристаллы: как учёные из Оберна открыли путь к новой технологической революции
• Телескоп «Джеймс Уэбб» показал рождение тысяч новых звёзд в «Омара»
• GE Aerospace испытала гиперзвуковой двигатель без движущихся частей
• Ученые создали нейросеть из ДНК, способную к обучению