Kỹ thuật Single Particle Cryo-EM

Thu được những hiểu biết mới về cấu trúc protein và đại phân tử

Trong những năm gần đây, Single Particle Analysis (SPA) (ở cả nhiệt độ đông lạnh và nhiệt độ môi trường) đã nổi lên như một kỹ thuật sinh học cấu trúc chính thống để mô tả 3D các đại phân tử, protein và các phức hợp protein ở độ phân giải gần hoặc đạt mức nguyên tử. Trên thực tế, Giải Nobel Hóa học năm 2017 đã công nhận những đột phá trong kính hiển vi điện tử lạnh (cryo-EM) giúp Kỹ thuật SPA trở nên khả thi. Hàng thập kỷ nghiên cứu chuyên sâu đã cải tiến phần cứng, tự động hóa và phần mềm cần thiết để đưa cryo-EM phân tích các hạt đơn trở nên hiện đại, dễ tiếp cận và đáng tin cậy đến với cộng đồng các nhà nghiên cứu sinh học cấu trúc và các lĩnh vực khác.

Kỹ thuật single particle cryo-EM là gì?

Single particle Cryo-EM, hay còn gọi là phân tích hạt đơn, là một kỹ thuật cryo-EM ngày càng phổ biến, cho phép nghiên cứu các phân tử sinh học ở độ phân giải gần đến mức nguyên tử, giúp khám phá các quá trình sinh học động học và cấu trúc của các phức hợp hoặc tập hợp phân tử sinh học. Trong Single particle cryo-EM, các protein hoặc phức hợp protein tinh khiết được bọc trong lớp băng vô định hình (băng thủy tinh) thông qua quá trình đông lạnh nhanh, giúp bảo toàn cấu trúc tự nhiên của mẫu. Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) sau đó được sử dụng để thu thập nhiều hình ảnh 2D của mẫu. Do các protein có hướng ngẫu nhiên trong lớp băng, những hình ảnh này cho thấy mẫu ở các góc khác nhau, và có thể được kết hợp lại để tái cấu trúc hình ảnh 3D độ phân giải cao của mẫu.

Lợi ích của kỹ thuật single particle cryo-EM

Một trong những thách thức chính khi nghiên cứu các quá trình sinh học động học là sự phức tạp vốn có của các hệ thống sinh học. Các kỹ thuật sinh học cấu trúc truyền thống thường gặp khó khăn khi nghiên cứu các hệ thống protein lớn và/hoặc động học, phải dựa vào quan sát gián tiếp hoặc nghiên cứu các mảnh của hệ thống. May mắn thay, Single particle Cryo-EM đã xuất hiện như một phương pháp phù hợp để xác định trực tiếp chức năng và động học tự nhiên trong các hệ thống sinh học phức tạp. Single particle Cryo-EM có thể xác thực công việc nghiên cứu sinh hóa bằng cách hiển thị chi tiết phân tử làm cơ sở cho các tương tác giữa protein, phân tử nhỏ và các biến đổi sau dịch mã trong các hệ thống protein lớn và động học dưới điều kiện gần tự nhiên. Những chi tiết phân tử này có thể tiết lộ cơ chế mà các hệ thống sinh học phức tạp đóng góp vào sức khỏe con người và bệnh lý.

Cách mạng hóa sinh học cấu trúc

Single particle Cryo-EM đặc biệt phù hợp cho việc nghiên cứu các protein màng, phức hợp protein và các cấu trúc đại phân tử như virus, ribosome và proteasome. Ví dụ, thụ thể GABAA (gamma-aminobutyric acid loại A) của con người là một protein màng nhỏ và là kênh ion chloride điều khiển bằng ligand, đóng vai trò trong việc dẫn truyền thần kinh ức chế. Thụ thể GABAA là mục tiêu điều trị quan trọng do ảnh hưởng đến nhiều con đường tín hiệu thiết yếu. Do sự linh hoạt về cấu hình của GABAA, các phương pháp truyền thống không thể tiết lộ cơ chế hoạt động phân tử của nó. Tuy nhiên, Single particle Cryo-EM đã làm rõ chi tiết phân tử của thụ thể quan trọng này và cách chúng ảnh hưởng đến sự tạo thành cấu trúc dị lập thể của nó.

Tham khảo link 1 số bài báo sử dụng kỹ thuật này trong nghiên cứu cấu trúc phân tử, đại phân tử.

1. Resolving individual atoms of protein complex by cryo-electron microscopy

https://www.nature.com/articles/s41422-020-00432-2

2. Rational design of a highly immunogenic prefusion-stabilized F glycoprotein antigen for a respiratory syncytial virus vaccine

https://www.science.org/doi/10.1126/scitranslmed.ade6422