Американські та британські фізики розробили метод атомно-силової мікроскопії надвисокої роздільної здатності, який дозволяє вивчати структуру білків на атомному рівні. Щоб довести дозвіл до десятих часток нанометра, вчені аналізували серію зображень, знятих з одного об'єкта, і за картою ймовірностей реконструювали рельєф поверхні. Такий підхід дозволяє розгледіти окремі амінокислоти на поверхні білкових глобул і простежити за конформаційними перестроюваннями в молекулах, пишуть вчені в.
Щоб отримати зображення поверхні, атомно-силовий мікроскоп водить по ній голкою з вістрям нанометрової товщини, промацуючи рельєф, і вимірює силу, з якої поверхня цю голку відштовхує. За допомогою атомно-силового мікроскопа можна не тільки визначати рельєф поверхні в звичайних кімнатних умовах майже з атомарною роздільною здатністю, а й здійснювати механічні операції зі структурою матеріалу: рухати по поверхні окремі атоми або піднімати цілі атомарні шари.
Точність операцій і роздільна здатність мікроскопа залежить не тільки від геометрії кінчика голки (на ньому може бути і всього один атом), але і формою її більш широкої частини. Особливо сильно цей фактор позначається під час дослідження біополімерів і поверхонь з різкими перепадами висот: у вузькі розщілини голка просто не пролазить. Геометрія голки обмежує і аналіз структури біомолекул: для голки доступна тільки поверхня полімерних клубків, але особливості конформаційних перебудувань таким чином вивчити не отримано. Крім того, при кімнатній температурі атоми в молекулах занадто швидко рухаються, щоб отримати статичне зображення.
Фізики з США і Великобританії під керівництвом Сімона Шойрінга (Simon Scheuring) з Медичного коледжу імені Вейла запропонували модернізувати класичну методику, додавши додаткові стадії аналізу зображень, отриманих після серії сканувань одного і того ж об'єкта. Алгоритм пошуку локальних максимумів дозволив авторам роботи порівняти результати декількох сканувань, скласти карту щільності ймовірностей і за усередненим рельєфом розрахувати висоту тих чи інших виступів із заданою ймовірністю.
В результаті вченим вдалося позбутися шумів по вертикальній осі, коливань атомів на поверхні молекул і випадкових флуктуацій. Цікаво, що саме ці флуктуації і дрібні рухи атомів фактично і дозволяють подивитися на об'єкт «з різних сторін» і підвищити дозвіл. Комп'ютерне моделювання експерименту показало, що для голки мікроскопа з радіусом кривизни більше відстані між структурними елементами досліджуваних молекул серії з декількох десятків сканувань вистачило для збільшення роздільної здатності приблизно в п'ять разів.
Відпрацювавши техніку на комп'ютерних моделях, вчені перейшли до аналізу структур реальних молекул: мембранного білка аквапорина-Z, який утворює іонні канали та анексину A5. За допомогою методу об'ємної кореляції Фур'є і статистичного аналізу дозвіл методу вдалося довести до розміру одиночних амінокислот: 0,40 нанометра для аквапорину і 0,45 нанометра для анексину. На деяких ділянках дозвіл сягав 0,2 нанометра. За допомогою високошвидкісної атомно-силової мікроскопії вчені побачили структурні перебудови при заміні амінокислоти на N-кінці анексину.
Якщо для багатомолекулярних структур для збільшення роздільної здатності потрібно записувати кілька сканів однієї і тієї ж поверхні, при вивченні одиночних молекул можна використовувати зображення однієї і тієї ж молекули в різні моменти часу. Для білкових кристалів результати мікроскопії підтвердили даними рентгенівської кристалографії та комп'ютерного моделювання методом молекулярної динаміки.
За словами вчених, таким чином можна підвищити дозвіл і класичного атомно-силового мікроскопа, і високошвидкісного сканування. За словами фізиків, цей підхід можна використовувати для будь-яких біомолекул у фізіологічних умовах - і в статиці, і в динаміці.
Автори роботи зазначають, що надихалися методами флуоресцентної мікроскопії надвисокої роздільної здатності і користувалися напрацюваннями цих підходів, які дозволяють збільшити дозвіл мікроскопа до 20 нанометрів (при дифракційній межі приблизно в 400 нанометрів). Це, однак, не єдиний спосіб підвищити дозвіл оптичного мікроскопа: нещодавно фізики показали, що домогтися надвисокої роздільної здатності можна, аналізуючи кореляцію поперечних мод оптичного сигналу.