Как белки встраиваются в клеточную мембрану

Многие белки с важными биологическими функциями встроены в биомембрану клеток человека и других живых организмов. Исследователи из Департамента биосистемных наук и инженерии ETH Zurich изучили, как именно это происходит.

Почти треть всех белков в живых организмах прочно встроена в биомембрану — либо во внешнюю мембрану клетки, либо в границы внутренних клеточных компартментов. Там эти мембранные белки выполняют важные задачи, например, служат молекулярными каналами для транспорта метаболитов и питательных веществ через мембрану или сенсорными белками для восприятия клеточного окружения.

Команда под руководством профессора Даниэля Й. Мюллера использовала высокоточный метод силовой спектроскопии одиночных молекул. Этот метод позволяет с помощью компьютерно-управляемого кантилевера толщиной в несколько нанометров извлекать отдельные белки из мембран или помещать их туда. Молекулярные силы адгезии заставляют белок, находящийся в определённом месте на поверхности мембраны, прилипать к кантилеверу.

Роль двух белков-помощников

В экспериментах с бактериальными белками исследователи выяснили роль двух белков-помощников — инсертазы и транслоказы, — которые позволяют мембранным белкам встраиваться в мембрану.

• Инсертаза — это одиночный белок.
• Транслоказа — это комплекс, состоящий из нескольких белков.

Оба обеспечивают открытие поры в мембране. Профессор Мюллер объясняет: «В случае инсертазы мы можем представить эту пору как горку. Мембранный белок изначально присутствует в виде неструктурированной пептидной цепи, которая соскальзывает по этой горке в мембрану. В мембране эта пептидная цепь затем принимает свою функциональную трёхмерную форму. После успешного встраивания белка-помощник отсоединяется и формирует "горку" в другом месте мембраны для следующего белка».

До сих пор исследования функций этих белков-помощников были неточными и использовали только короткие пептиды или проводились вне биомембран. «Мы впервые пошагово наблюдали и описали, как целый белок встраивается в мембрану и принимает трёхмерную форму», — говорит первый автор исследования, постдок Татьяна Сердюк.

Исследователи также показали различия в работе инсертаз и транслоказ:

• Инсертазы вставляют пептидные цепи в мембрану относительно быстро, но «неуклюже». Они хорошо работают, особенно с небольшими белками.
• Транслоказы вставляют пептидные цепи в мембрану секция за секцией, что делает их лучше подходящими для более сложных белков.

Важность для медицины

Это исследование является примером классической фундаментальной науки, которая особенно важна с учётом значимости мембранных белков для медицины. «Около половины всех лекарств действуют на мембранные белки, и нам необходимо понимать, как эти белки формируются и как работают», — подчёркивает профессор Мюллер.

Кроме того, метод силовой спектроскопии одиночных молекул, который учёные ETH усовершенствовали для этого исследования, может найти и другие применения. В рамках Национального центра компетенций в области молекулярных систем (NCCR) Мюллер и другие исследователи работают над созданием искусственных биологических клеток. «Этот метод можно использовать для "настройки" биомембран белками, по сути, программируя их. Такие искусственные клетки однажды могут быть использованы в качестве молекулярных фабрик для промышленного производства фармацевтических препаратов», — говорит профессор.