​​Как заглянуть внутрь клетки Можно ли буквально увидеть структуру белка внутри живой клетки? В эту пятницу у нас вышла статья — первая часть моего постдока — где мы сделали это на практике. Расскажу, что именно мы сделали и зачем это нужно. Белки — это инструменты, совершающие функции в нашем организме. Функция каждого белка определяется формой: как ключ открывает замок, а ножницы режут бумагу, так и функция белка определяется его структурой. Поэтому, чтобы понять, как работает биология, важно знать структуры белков. Структуру отчищенного белка в пробирке можно определить несколькими методами, а иногда даже предсказать вообще без лаборатории — например, с помощью AlphaFold (пост про это). Но в реальности белки работают внутри живой клетки, где они гибкие и подвижные, взаимодействуют друг с другом и постоянно меняют свою форму для выполнения функции — как ножницы смыкаются, чтобы разрезать бумагу. Наша цель — определить структуру белков прямо внутри клетки. Для такого нужен электронный микроскоп — у него достаточно высокое разрешение для такой задачи. Но если просто засунуть клетку в такой микроскоп и просветить ее электронами, вы ничего толком не увидите. Для начала ее надо подготовить. Сначала мы очень быстро замораживаем клетки в жидком этане — со скоростью 10 000 °C в секунду — чтобы сохранить их естественную форму. При таком быстром охлаждении вода в клетках не успевает превратиться в лед, и молекулы просто остаются на своих местах. Замораживать надо до температуры -180 °C — при такой температуре молекулы остаются на месте, и структура не меняется со временем. Дальше возникает проблема: клетка слишком толстая, чтобы через нее просвечивали электроны в электронном микроскопе. Как ее утончить? Разрезать ножом клетку нельзя — даже самый острое лезвие неидеально и деформирует материал. Поэтому мы использовали метод focused ion beam (FIB)-milling: из замороженной клетки при -180С в вакууме мы вырезали очень точным лучом плазмы тонкую пленку толщиной около 200 нанометров, испарив плазмой лишнее. Такая пленка называется ламелла. Ламелла достаточно тонкая, чтобы через нее просвечивали электроны, но в ее объеме достаточно много внутренностей клетки для их исследования. Такую ламеллу можно фотографировать в микроскопе под разными углами, а потом собрать из изображений трехмерную картинку — томограмму. Уже из томограммы можно вычислять структуры белков прямо внутри клетки. По отдельности все эти шаги были известны и раньше. Но каждый из них был настолько сложным, дорогим и трудоемким, что метод оставался скорее экспериментальным, чем рабочим инструментом. Когда я начал работу в лаборатории, нам и еще нескольким группам понадобился большой массив таких данных, чтобы ответить на разные биологические вопросы. Из-за трудоемкости процесса, вместо конкуренции мы решили объединиться: три лаборатории и компания Thermo Fisher. Вместе мы оптимизировали и автоматизировали почти каждый шаг — от нарезки клеток до обработки изображений и вычислений. Для примера мы определили структуры нескольких белков прямо в клетке. Например, я определил структуру белка клатрина, которым занимался еще в аспирантуре (пост про это). Весь полученный массив данных мы выложили в открытый доступ (тык). Это самый большой и качественный открытый массив данных такого рода. Так как публикация долго была в рецензии, за это время на этих данных уже обучили множество моделей, которые сейчас активно используются в структурной биологии. Кроме того, биологи могут просто взять эти данные и изучать интересующие их части клетки — ведь воспроизвести такой эксперимент с нуля безумно дорого. Результаты в свежем выпуске Molecular Cell. Из-за масштаба проекта у статьи целых 10 первых соавторов, хотя обычно так не делается. Зато теперь каждый из нас может сосредоточиться на своих биологических вопросах. Например, мой коллега Florent Waltz на основе этих данных реконструировал точную архитектуру митохондрий и уже опубликовал результат — в недавнем выпуске Science. В комме