Крио-ЭМ буюу уураг судлалд гарсан “хувьсгал”

Монголын мэдээ | Тойм
adiyakhuu@montsame.mn
2020-06-10 09:18:44

Молекул дүрслэлийг бий болгох зорилгоор зарчмын хувьд цоо шинэ гэгддэг криогенийн цахилгаан микроскопын аргыг /Cryogenic Electron Microscopy буюу cryo-EM/ улам боловсронгуй болгон хэрэглэсний ачаар бид анх удаагаа уургийн тодорхой атомуудыг нэг бүрчлэн харах боллоо. Энэ тухай Их Британийн “Nature” сэтгүүлд нийтлэлч Юэн Кэллоуэй (Ewen Callaway) бичсэнийг орчуулан хүргэе.


Крио-ЭМ-ийг ашиглан атомын түвшинд нарийвчлалыг хийж чадсан эрдэмтэд одоо уургуудын бүтэц, механизмыг илүү нарийвчлан судлахаар төлөвлөж байна. Өмнө нь ашиглаж байсан рентген кристаллограф зэрэг бусад аргаар үүнийг хийх боломжгүй байсан юм.  


Үсрэлт гэж тодорхойлж болохоор амжилтанд хүрсэн гэдгээ өнгөрсөн 5 дугаар сарын сүүлчээр Герман, Их Британийн хоёр лабораторийн судлаачид зарлан мэдэгджээ. Энэхүү үсрэнгүй ололтын ачаар крио-ЭМ нь уургийн 3 хэмжээст дүрслэлийг хийх гол хэрэгсэл болж байна. Үүний үр дүнд эрүүл болон өвчтэй хүмүүсийн бие организмд уургууд хэрхэн ажилладаг болохыг илүү нарийн тодорхойлох, үүний үндсэн дээр гаж нөлөөгүй, илүү үр дүнтэй эмүүдийг гарган боломж нээгдэх юм.


“Энэ бол эргэлтийн шинжтэй үнэхээрийн чухал үйл явдал гэдэг нь эргэлзээгүй. Энэ бол нарийвчлалын эцсийн хязгаар бөгөөд үүнээс цааш шинээр нээх зүйл үлдээгүй” хэмээн биохимич, цахилгаан микроскопийн мэргэжилтэн Хольгер Старк ярьж байна. Германы Геттинген хот дахь Макс Планкийн нэрэмжит Биофизик-химийн хүрээлэнд ажилладаг тэрбээр хоёр судалгааны нэгийг нь удирдсан юм.

Кембрижийн их сургуулийн Анагаах ухааны судалгааны зөвлөлийн Молекул биологийн лаборатори


Нөгөө судалгааг нь Кембрижийн их сургуулийн Анагаах ухааны судалгааны зөвлөлийн Молекул биологийн лабораторийн биологич Сьорс Шерес, Раду Арическу нар удирдсан ба 5 дугаар сарын 22-ны өдөр уг хоёр судалгааны материалыг bioRxiv серверт хадгалжээ.   


“Атомын нарийвчлалыг жинхэнэ утгаар нь хийнэ гэдэг бол хамгийн чухал үе шат мөн” гэж Торонтогийн их сургуулийн биологич Жон Рубинштейн дүгнэж байна. Гэсэн хэдий ч олон төрлийн уургийг атомын түвшинд нарийвчлан харах нь маш хэцүү хэвээрээ л байгаа бөгөөд энэ нь уургийн хувирамтгай чанар гэх мэтийн асуудлуудаас үүдэлтэй. Харин зааг хязгаарыг давж чадах аваас юунд хүрч болдгийг дээрх хоёр судалгаа харуулсан гэдгийг Рубинштейн онцлон дурдлаа.  


Хил хязгаарыг нэвтлэн гарах нь  


Ер нь бол, крио-ЭМ-ийн аргыг өмнө нь хэдэн арван жилийн хугацаанд ашигласаар иржээ. Түүний тусламжтайгаар хурдан хөлддөг дээжүүдийг электроноор буудаж, тэдгээрийн дүрслэлийг нарийвчилснаар хэлбэрийг нь тодорхойлдог. Дээжээс ойж буй электронуудыг илрүүлэх технологид гарсан дэвшлүүд болон дүрслэлд анализ хийх программыг зохион бүтээсэн нь 2013 оноос хойш өрнөж буй “нарийвчлалын хувьсгал”-д түлхэц өглөө. Үүний үр дүнд уургийн бүтцийн дүрслэлийг илүү тод гарган авах боломжтой болсон байна. Уг дүрслэл нь рентген кристаллографийн аргаар хийсэн дүрслэлтэй бараг адилхан байдаг байв. Рентген кристаллограф гэдэг нь рентген цацрагаар бөмбөгдүүлсэн талстжсан уургуудын дифракцийг ашиглан биологийн макромолекулуудын гурван хэмжээст бүтцийг тодорхойлох хуучин арга юм.  


Рентген кристаллографийн арга 


Харин шинэ аппарат, шинэ программ хангамж нь крио-ЭМ-ийн нарийвчлалыг сайжруулах боломжийг олголоо. Гэсэн хэдий ч уургийн бүтцийг атомын түвшинд харахын тулд эрдэмтэд рентген кристаллографийн аргаа дахиад л ашиглахад хүрчээ. Энэ аргын дутагдалтай тал гэвэл, уургийг талстжуулахад олон сар, жилийн хугацаа ордгоос гадна анагаах ухааны үүднээс чухалд тооцогддог уургууд нь судалгааны шаардлагыг хангахуйц талстуудыг огт үүсгэдэггүй байжээ. Харин крио-ЭМ аргыг хэрэглэх үед уургийг цэвэрлэсэн уусмал дотор байлгахад л хангалттай.   


Атомын нарийвчлал бүхий зургийг ашигласнаар уургийн тодорхой атомуудын байрлалыг 1,2 ангстремийн (1,2 × 10-10 м) нарийвчлалтайгаар тодорхойлж болох юм. Ингэснээр ферментүүд хэрхэн ажилладгийг олж мэдэж ба үүний үндсэн дээр тэдгээрийн идэвхжлийг сааруулдаг эмүүдийн үйлчлэлийг судлах боломж гарч ирнэ. 


Крио-ЭМ-ийг атомын нарийвчлалын түвшинд хүртэл боловсронгуй болгохын тулд хоёр багийн эрдэмтэд өөрчлөгдөхгүй тогтвортой байдаг апоферритин гэдэг уураг дээр туршилт хийжээ. Үүнээс өмнө, уургийн бүтцийн хамгийн өндөр нарийвчлал нь 1,54 ангстрем байсан аж.  

Крио-ЭМ-ийг ашиглан хийсэн апоферритин уургийн зураглал  


Эрдэмтэд апоферритин уургийн илүү тод дүрслэлийг гарган авахын тулд технологийн шинэ ололтуудыг ашигласан байна. Старкийн удирдсан багийн биологичдийн хувьд, дээж рүү буудахаас өмнө электронуудыг ижил хурдтай хөдөлгөдөг төхөөрөмжийг ашиглан уургийн бүтцийн дүрслэлийг 1,25 ангстремийн нарийвчлалтайгаар бий болгож чадсан байна.


Харин Шерес, Арическу нарын удирдсан багийнхан ижил хурдтай хөдөлж буй электронуудаар дээж рүү буудах өөр технологийг ашиглажээ. Түүнээс гадна, зарим электронууд дээжээс ойсны дараа үүсдэг чимээг багасгах технологи болон электронуудыг илрүүлэх илүү мэдрэмжтэй камерыг хэрэглэсэн байна. Шерес-ийн ярьснаар, нарийвчлалыг 1,2 ангстремд хүргэснээр эрдэмтэд уураг дахь устөрөгчийн тодорхой атомууд ба уургийг хүрээлж буй усны молекулуудын атомуудыг нэг бүрчлэн олж харж чаджээ. 


Хэрвээ эдгээр технологийг хослуулан хэрэглэх аваас нарийвчлалыг 1 ангстремд ч хүргэх боломжтой, гэхдээ үүнээс цаашлах боломж бараг үгүй гэдгийг Старк хэллээ. 1 ангстремээс доош нарийвчлалыг бий болгохын тулд одоо байгаа хамгийн шилдэг технологиудыг хэрэглэж, хэдэн зуун жилийн турш өгөгдлүүдийг цуглуулж, тооцоолон бодох, ой санамжийн асар их хүчин чадлыг бий болгох хэрэгтэй ажээ.   


Дүрслэлийг илүү тодоор харах нь


Шерес, Арическу нар шинэ аргыг гамма амин тосны хүчлийн GABA-рецептор гэж нэрлэгддэг уургийн энгийн хэлбэр дээр туршиж үзжээ.


Нейронуудын бүрхүүл дотор байдаг энэ уураг мэдээ алдуулах, тайвшруулах эмнүүдийн үйлчлэлд хамгийн түрүүнд өртдөг байна. Өнгөрсөн онд Арическу-гийн багийн эрдэмтэд крио-ЭМ-ийг ашиглан 2,5 ангстремийн нарийвчлалтайгаар уг уургийн бүтцийг судалсан бол шинэ аргын тусламжтайгаар нарийвчлалыг 1,7 ангстремд хүргэсэн байна. “Нүднээс хөшиг аваад хаячихав уу гэмээр санагдаж байлаа. Ингэж нарийвчлах үед хагас ангстрем бүр нь бүхэл бүтэн шинэ орчлон ертөнцийг нээж байдаг” хэмээн Арическу ярилаа.

Өмнө нь хэн ч, хэзээ ч харж байгаагүй нарийн зүйлсийг, тухайлбал, гистамин гэдэг бодисыг агуулж буй уургийн тухайн хэсэг дэх усны молекулуудыг эрдэмтэд олж харсан байна. “Энэ бол бүтэцлэгдсэн эмүүдийг гарган авахад “алтны орд” л гэсэн үг. Учир нь, усны молекулуудыг эм орлож болно гэдгийг харуулж байгаа бөгөөд ингэснээр гаж нөлөө багатай эм гарган авах боломж бий” гэж Арическу ярилаа.    


Гэхдээ гамма амин тосны хүчлийн /GABA/ картыг атомын нарийвчлалтайгаар бий болгох нь нэлээд ярвигтай бөгөөд уг хүчил нь апоферритинтэй адил тогтвортой биш гэдгийг Шерес дурдлаа. “Дүрслэлийг хийх боломжтой, гэхдээ бодит байдал дээр бол бараг бүтэхгүй зүйл” гэж тэрбээр үзэж байна. Учир нь, үүний тулд асар их хэмжээний өгөгдлүүдийг цуглуулах хэрэгтэй болно.


Гэхдээ уургийн дээж бэлтгэх аргыг боловсронгуй болгох гэх мэт арга замаар био анагаах ухааны судалгаанд чухал ач холбогдолтой GABA болон бусад уургийн бүтцийг атомын нарийвчлалын түвшинд судлах боломж бий. Уургийн уусмалыг алтаар хийсэн өчүүхэн жижиг торонцор дотор хөлдөөдөг бөгөөд торонцор доторх өөрчлөлт нь уургийг тогтвортой болгодог байна.

 

“Хоёр багийн эрдэмтдийн хийсэн судалгааны үр дүнд бүгд л баярлаж, гайхан биширч байна” хэмээн Токиогийн их сургуулийн крио-ЭМ-ийн судалгааны мэргэжилтэн Радостин Данев хэллээ. Харин хамгийн тогтворгүй уургуудын дээжийг бэлтгэх нь энэ салбарын судалгааны ажилд томоохон бэрхшээл учруулж байгаа гэдгийг тэрбээр хүлээн зөвшөөрөөд “1,5 болон 2 ангстремийн нарийвчлалыг бий болгох нь одоохондоо тодорхой хугацаанд зөвхөн тогтвортой дээжүүдийн хувьд боломжтой байх болно” гэдгийг дурдсан юм.


Шинэ ололт амжилтын үр дүнд крио-ЭМ нь бүтцийн судалгааны үед юугаар ч орлуулшгүй хэрэгсэл болно гэдгийг Шерес онцоллоо.


Уургийн бүтцийг атомын түвшинд нарийвчлахыг тэсэн ядан хүлээж буй эм үйлдвэрлэгч компаниудын хувьд крио-ЭМ-ийг боловсронгуй болгох сонирхол нь улам нэмэгдэж таарна.


Гэхдээ Старк-ийн үзэж байгаагаар, үүний зэрэгцээ рентген кристаллографийн арга урьдын адил ашиглагдсаар байх ажээ.  Хэрвээ уургийг талстлаж чадах аваас энэ нь ирээдүйд гарган авах олон төрлийн эмтэй холбоотой уургийн бүтцийг богино хугацаанд илүү нарийн тодорхойлох боломжтой болно. Гэхдээ маш өндөр нарийвчлалтай крио-ЭМ-ийг ашиглан бүтцийн талаарх хангалттай тооны өгөгдлүүдийг боловсруулахад урьдын адил цаг хугацаа хэрэгтэй. 


“Эдгээр аргын аль алиныг нь хүлээн зөвшөөрөх эсвэл үгүйсгэх шалтгаанууд бий. Хүмүүсийн бичиж нийтлүүлсэн олон тооны эрдэм шинжилгээний бүтээл, тойм нийтлэлд “крио-ЭМ-ийн салбар дахь сүүлийн үеийн ололтууд нь рентген кристаллографийн аргыг бүрмөсөн хална” гэж дурдсан байдаг. Харин би үүнд эргэлзэж байна” гэж судлаач Старк эцэст нь дүгнэн хэллээ.


Б.Адъяахүү


Эх сурвалжууд: https://www.nature.com/articles/d41586-020-01658-1

https://inosmi.ru/science/20200605/247561889.html

Холбоотой мэдээ