Určování 3D struktur malých biomolekul pomocí elektronové mikroskopie

Bc. Eliška Kostrůnková

Master's thesis

Determination of 3D structures of small biomolecules using electron microscopy

Abstract:

Kryogenní elektronová mikroskopie (kryo-EM) se stala významnou technikou ve strukturní biologii, která umožňuje určování 3D struktur biomakromolekul. Svou popularitu ve vědecké komunitě si získala především díky schopnosti zachytit molekuly v jejich téměř nativním stavu, v různých konformačních stavech, a dosáhnout přitom dostatečného rozlišení pro rekonstrukci 3D struktury na atomární úrovni. Nedávné technologické pokroky v oblasti detekce a zpracování obrazu dále rozšířily její aplikace, což umožňuje studium biomolekul menších rozměrů s vysokou flexibilitou a heterogenitou. Cílem této práce bylo využít moderní nástroje k analýze dat s důrazem na flexibilitu biomolekul a její vliv na dosažitelné rozlišení u náročných vzorků. Studovaným objektem byl myší enzym Dicer v komplexu s dvouřetězcovou RNA a proteiny Argonaut 2 a TARBP2, které společně tvoří umlčovací komplex RNA (RISC). Optimalizované postupy zpracování dat vedly k rekonstrukci kryo-EM mapy s rozlišením 5.86 Å. Dosažené rozlišení neumožnilo tvorbu 3D struktury na atomové úrovni, což odráží výzvy spojené s flexibilitou a heterogenitou datasetu, avšak poskytuje základ pro budoucí detailní analýzy.

Abstract:

Cryogenic electron microscopy (cryo-EM) has become a powerful technique in structural biology, enabling the determination of 3D structures of biomacromolecules. Its popularity in the scientific community is primarily due to its ability to capture molecules in their nearly native state, in various conformational states, while achieving sufficient resolution for reconstructing 3D structures at the atomic level. Recent technological advancements in detection and image processing have further expanded its applications, allowing the study of smaller biomolecules with high flexibility and heterogeneity. This study aimed to utilize modern tools to analyse data with a focus on the flexibility of biomolecules and its impact on achievable resolution in challenging samples. The subject of the study was the mouse enzyme Dicer in a complex with double-stranded RNA and the proteins Argonaut 2 and TARBP2, which together form the RNA-induced silencing complex (RISC). Optimized data processing procedures enabled the reconstruction of a cryo-EM map with a resolution of 5.86 Å. While the achieved resolution was insufficient for constructing a 3D atomic model, it reflects the challenges associated with the flexibility and heterogeneity of the dataset and provides a foundation for future detailed analyses.

Keywords

kryo-elektronová mikroskopie, transmisní elektronová mikroskopie, strukturní biologie, analýza jednotlivých částic, CryoSPARC, RNA interference, Dicer, RISC, savci, Cryo-electron microscopy, Transmission electron microscopy, Structural biology, Single particle analysis, Mammals

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 10. 1. 2025

Thesis defence

• Date of defence: 5. 2. 2025
• Supervisor: doc. Mgr. Karel Kubíček, PhD.
• Reader: Mgr. Dušan Hemzal, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Master programme / field:
Biophysics / Biophysics