Ученые исследуют динамические переходы в белках
Белки, центральные для жизни и всех клеточных функций, представляют собой сложные структуры, которые далеки от статичности, хотя часто изображаются как двумерные снимки.
Ученые из Корнеллского университета, используя Корнеллский источник синхротронного излучения (CHESS), получили новое представление о механизмах изменения структуры белков при низких температурах. Их статья, первым автором которой является сотрудник CHESS Чэ Ун Ким, была опубликована 12 декабря в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Белковые флуктуации участвуют в биологических функциях — от ферментативного катализа до взаимодействия с другими молекулами, включая ДНК. При охлаждении флуктуации затухают и в конечном итоге останавливаются, обычно между -70 и -30 °C; это называется динамическим переходом белка. Физическое происхождение этого перехода ранее было плохо изучено, хотя предполагалось, что в нём участвует вода.
В экспериментах исследователи наблюдали такой переход при -160 °C — значительно более низкой температуре — в белковом кристалле, когда криогенно охлажденная вода, заключенная в кристалле, претерпевала необычные фазовые переходы.
Образцы белковых кристаллов обрабатывались собственным методом высокого давления с криоохлаждением. Образцы замораживали до температур жидкого азота (-196 °C) в гелии под давлением 2000 атмосфер. Ранее они показали, что этот метод индуцирует необычное аморфное состояние воды высокой плотности, которое при нагреве превращается в аморфный лёд низкой плотности.
Динамический переход белка затем исследовали на CHESS с помощью температурно-контролируемой рентгеновской белковой кристаллографии, которая обычно используется для измерения распределения флуктуационных состояний белка. Исследователи наблюдали, что состояния флуктуаций внезапно увеличивались, когда вода претерпевала переход из состояния высокой плотности в состояние низкой плотности.
Изменение состояния воды давало белкам свободу флуктуировать и двигаться. Это указывало на то, что динамический переход белка был обеспечен подвижностью, предоставленной окружающей водой.
В прошлом подобные исследования затруднялись спонтанной кристаллизацией воды в лёд. Новый метод высокого давления позволяет обойти эту проблему и исследовать динамику белков и её связь с фазовым поведением воды при криогенных температурах. Результаты свидетельствуют, что физическое происхождение динамического перехода белка обусловлено флуктуациями воды, а также дают представление о необычных физических свойствах переохлажденной воды.