Атомно-силовой микроскоп (АСМ) — это не микроскоп, через который нужно смотреть. Подобно слепому, который использует пальцы, он «чувствует» поверхность с очень тонким кончиком, чтобы разрешить крошечные клеточные структуры размером всего в миллионные доли миллиметра, такие как поры в ядерной оболочке. Однако этот процесс обычно медленный и может занять до одной минуты, чтобы сделать снимок. Для сравнения, современные высокоскоростные АСМ способны записывать видео с молекулами в действии, делая несколько сотен изображений в минуту.
Используя высокоскоростную АСМ, Родерик Лим, профессор Арговии из Biozentrum и Швейцарского института нанонаук Базельского университета, не только непосредственно визуализировал селективный барьер ядерной поры, но и ее динамическое поведение, чтобы разрешить давнюю загадку того, как нежелательные молекулы не могут попасть в ядро.Комплексы ядерных пор регулируют транспорт молекулОбщая структура ядерных пор общеизвестна. Это не простые дыры, а огромные транспортные узлы, которые тысячами встраиваются в ядерную мембрану.
Они имеют структуру в форме пончика, состоящую примерно из тридцати различных белков, называемых нуклеопоринами, и центральный транспортный канал. Внутри поры несколько неупорядоченных белков (FG Nups) образуют селективный барьер или фильтр. В то время как небольшие молекулы могут легко пройти этот барьер, большие молекулы, такие как белки, не могут попасть в ядерную пору. Исключением являются белки, необходимые в ядре клетки, например, для восстановления или репликации генетического материала.
Их перемещению из цитоплазмы в ядро ??помогают транспортные рецепторы, которые распознают специфическую «адресную метку», переносимую этими белками.Высокоскоростной АСМ выявляет динамические процессы«С помощью высокоскоростной АСМ мы впервые смогли заглянуть внутрь природных комплексов ядерных пор размером всего сорок нанометров», — говорит Лим. «Этот метод действительно меняет правила игры.
Мы могли видеть отдельные FG Nups и снимать их в действии. До сих пор это было невозможно!»
Кроме того, Юсуке Сакияма, аспирант, проводивший эксперименты, должен был вырастить сверхострые углеродные нановолокна на каждом высокоскоростном зонде, чтобы проникнуть внутрь NPC. Затем из нескольких изображений создается видеопоследовательность, позволяющая исследователю наблюдать «реалистичную» динамику биологических процессов на нанометровом уровне.Барьер из волнообразных молекулярных «щупалец»Благодаря высокому пространственному и временному разрешению ученые смогли показать, что волокна FG Nup очень гибкие. «Это не жесткие щетинки, а как раз наоборот.
Как и самые тонкие щупальца, FG Nups быстро колеблются, удлиняются и втягиваются, а иногда даже на короткое время смешиваются в поре», — говорит Лим. Скорость их движения определяет, какие молекулы могут пройти через пору. «Крупные частицы движутся намного медленнее, чем FG Nups, и поэтому повторные столкновения препятствуют их попаданию в NPC», — объясняет Лим. «Маленькие молекулы, однако, подвергаются быстрой диффузии и имеют высокую вероятность преодоления барьера FG Nup».
Понимая, как NPC функционируют как транспортные узлы в живых клетках, Лим, который является членом NCCR Molecular Systems Engineering, теперь исследует, как вдохновленные NPC селективные фильтры могут регулировать молекулярный трафик в небиологических системах.