Международная исследовательская группа, возглавляемая учеными из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли, получила первые в своем роде трехмерные изображения с высокой разрешающей способностью сегментов двойной спирали ДНК, растянутых в промежутке между золотыми наночастицами. Кроме предоставления ученым уточненной информации о структуре ДНК, такие сегменты могут быть использованы в качестве блоков органической машинной памяти, органических электронных компонентов, наноразмерных средств доставки лекарственных препаратов и маркеров для выявления некоторых типов генетических заболеваний.
Для получения изображений исследователи соединили края нитей ДНК с золотыми наночастицами и получили трехмерные изображения при помощи сверхсовременной технологии электронной микроскопии. А технология окрашивания отдельных белков, совмещенная со сложной программной обработкой получаемых данных, позволила получить представление отдельных структурных особенностей молекул, размеры которых были равны приблизительно одному-двум нанометрам.
В своей работе исследователи использовали разработанный ими ранее метод, называемый индивидуальной электронной томографией (individual-particle electron tomography, IPET), который позволяет получить трехмерное изображение структуры молекулы белка, комбинируя ряд изображений, сделанных с различных углов. Эта разработанная ранее технология съемки была использована совместно с электронно-лучевой технологией, называемой крио-электронной микроскопией (cryo-electron microscopy, cryo-EM), в которой используется охлаждение до сверхнизкой температуры для фиксации исследуемой молекулы на одном месте.
Для создания трехмерной модели структуры ДНК ученые использовали золотые наночастицы, размером 5 нанометров, которые выполняли роль "гирь", растягивающих цепочки ДНК, содержащие по 84 пары оснований. Расстояние между наночастицами, связанными одной цепочкой ДНК, составляло от 20 до 30 нанометров. После "растяжки" цепочки ДНК она фиксировалась криогенным способом, после чего производилась съемка структуры молекулы с различных углов зрения.
До последнего времени единственным методом изучения структуры молекул являлся метод, в котором исследуемые молекулы освещались мощным и чрезвычайно коротким импульсом рентгеновского излучения. Однако, энергии этого импульса было достаточно для разрыва некоторых химических связей в молекулах и, как следствие, для искажения их первоначальной формы. Для получения достаточно качественных изображений таким способом требовалось проведение отдельной съемки тысяч идентичных молекул, но достаточно часто получалось так, что усредненное результирующее изображение отражало далеко не все особенности исследуемых молекул.
В своих последующих исследованиях ученые из лаборатории Лоуренса планирую увеличить разрешающую способность их метода так, что на снимках можно будет рассмотреть элементы, размером менее 1 нанометра. "Имеющаяся сейчас в нашем распоряжении технология позволяет нам увидеть трехмерную структуру молекул с разрешающей способностью от 1 до 2 нанометров" - пишут исследователи, - "Но, при помощи более лучших инструментов и за счет более сложной математической обработки нам может удастся улучшить разрешающую способность до суб-нанометрового масштаба, масштаба, при которой спираль ДНК можно будет рассмотреть с точки зрения структурных особенностей отдельных белков".
