Strukturní biologie na úrovni jedné buňky pomocí intracelulární elektronové krystalografie
Vědecký tým z Katedry chemie Přírodovědecké fakulty Jihočeské univerzity, ve složení Š. Bílá, T. Bílý, Z. Franta, R. Tůma, dosáhl průlomového úspěchu v oblasti strukturní biologie. Podařilo se mu určit strukturu proteinu ve vysokém rozlišení z jediného krystalu vyrostlého přímo uvnitř živé buňky. Tento mimořádný výsledek byl umožněn díky úzké spolupráci s Ústavem molekulární genetiky AV ČR (Praha), ELI Beamlines (Praha), Biologickým centrem AV ČR (České Budějovice), Univerzitou v Lübecku (Německo) a Univerzitou v Uppsale (Švédsko).
Nově vyvinutá metoda IncelluloED kombinuje intracelulární krystalizaci proteinů s in situ trojrozměrnou elektronovou difrakcí pomocí standardního vybavení kryoelektronové mikroskopie (cryo EM). Otevírá cestu k analýze struktur ve vysokém rozlišení přímo v buňkách a umožňuje obejít pracné čištění proteinů a in vitro krystalizaci.
Intracelulární krystalizace se objevila jako slibná strategie ve strukturální biologii, avšak dosavadní přístupy narážely na zásadní omezení. V roce 2024 představil odborný tým Univerzity v Lübecku experimentální protokol InCellCryst určený ke studiu intracelulárních krystalů pomocí sériové rentgenové krystalografie. Sériová krystalografie však vyžaduje ozáření desítek tisíc buněk obsahujících krystaly, což znemožňuje studium proteinů, které krystalizují pouze v několika málo buňkách. IncelluloED tuto bariéru překonává tím, že umožňuje určit strukturu z jediného krystalu v jediné buňce.
Výkonnost metody IncelluloED byla demonstrována na mikrokrystalu proteinu HEX 1 z houby způsobující rýžovou sněť (Magnaporthe grisea), který byl vypěstován v hmyzí buňce. Zatímco IncelluloED poskytl strukturu s rozlišením 1,9 Å z krystalu o objemu 1,6 µm³, sériová rentgenová krystalografie vyžadovala desetitisíce krystalů s celkovým objemem přes 11 milionů µm³ k dosažení podobného atomárního rozlišení. IncelluloED tak předvedl milionkrát větší úsporu potřebného materiálu pro určení struktury ve vysokém rozlišení.
Kromě své okamžité výkonnosti otevírá IncelluloED nové možnosti pro systematické studium intracelulární krystalizace, například frekvence krystalizace či kvality difrakce, a umožňuje hledat uspořádané nanodomény uvnitř větších, špatně difraktujících krystalů. Budoucí vylepšení, jako je krystalizace v přítomnosti ligandů přirozeně se vyskytujících v buňkách, mohou posílit možnosti vývoje léčiv na základě struktur.
Navzdory své celkové složitosti se vyvinutá metoda ukázala jako robustní: všechny buňky vybrané k analýze obsahovaly difraktující krystaly a žádný vzorek nebyl ztracen. Tím, že vyžaduje pouze jediný krystal uvnitř jediné buňky a využívá standardní platformy cryo EM, přináší IncelluloED strukturní biologii ve vysokém rozlišení do běžného laboratorního prostředí a představuje významný krok v novém směřování oboru — realizaci strukturní biologie na úrovni jedné buňky.
Štěpánka Bílá, Dominik Pinkas, Krishna Khakurel, Juliane Boger, Tomáš Bílý, Janos Hajdu, Zdeněk Franta, Iñaki de Diego Martinez, Roman Tuma, Lars Redecke and Vitaly Polovinkin: Single-Cell Structural Biology with Intracellular Electron Crystallography, Nat Commun (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69205-6
