Ключ к биомиметике — воронки сворачивания белков
Белки способны к самосборке в широкий спектр высокоупорядоченных структур с разнообразными свойствами. С помощью биомиметики — технологических инноваций, вдохновленных природой, — люди надеются создать аналогичные самособирающиеся молекулы. Ключ к этому — понимание того, как процесс сворачивания белка, критически важный для его формы и функции, распространяется на сложные ансамбли.
Исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) Министерства энергетики США (DOE) показали, что концепция, широко принятая для описания сворачивания одного белка, применима и к самосборке множества белков. Их выводы дают важные ориентиры для будущих усилий в области биомиметики, особенно для создания устройств и синтеза на наноуровне.
«Мы впервые непосредственно наблюдали, что концепция воронки сворачивания с кинетическими ловушками для отдельных белков в равной степени применима к сборке упорядоченных белковых структур», — говорит Джим ДеЙорео, ученый из Molecular Foundry, центра нанонаук DOE в Беркли, который руководил этим исследованием вместе с химиком Беркли Кэролайн Бертоцци. «Наши результаты говорят о том, что усилия по открытию и систематизации правил проектирования для самосборки сложных молекулярных систем должны учитывать влияние кинетических ловушек, связанных с конформационными превращениями».
ДеЙорео и Бертоцци являются авторами статьи, опубликованной в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). Статья называется «Прямое наблюдение кинетических ловушек, связанных со структурными превращениями, ведущими к множественным путям сборки S-слоя». Соавторами были Сон-Хо Шин, Сунвук Чунг, Бабак Сании и Луис Комолли.
Белки — это, по сути, биомолекулярные наномашины, способные выполнять множество задач благодаря способности сворачиваться в множество форм. Когда отдельные белки самоорганизуются в упорядоченные структуры, результирующий ансамбль часто принимает конформации, совершенно отличные от конформаций отдельных компонентов.
«Например, матрицы коллагена, составляющие органический каркас костей и зубов, построены из тройных спиралей отдельных мономеров коллагена, — говорит ДеЙорео. — Эти спирали далее собираются в высокоорганизованные скрученные фибриллы, демонстрирующие псевдогексагональную симметрию».
Концепция воронки сворачивания объясняет сворачивание отдельного белка на основе конформационных изменений для достижения состояния с минимальной свободной энергией. Развернутый белок начинает с состояния высокой свободной энергии, что делает его конформацию нестабильной. Изначально существует ряд возможных трехмерных конформаций, которые могли бы снизить эту энергию. Однако по мере сворачивания белка свободная энергия начинает падать, а количество возможных конформаций уменьшается, подобно сужающейся воронке. Дно воронки достигается, когда свободная энергия минимизирована и доступна только одна конформация. Однако по мере падения энергии на пути могут возникать кинетические ловушки, которые могут остановить процесс сворачивания и удерживать белок в частично свернутых конформациях (известных как «расплавленные глобулы» и промежуточные состояния сворачивания) в течение длительного времени. В конечном итоге эти «застрявшие» состояния превратятся в стабильную конформацию, но на ее форму и структуру влияют кинетические ловушки.
«В воронке сворачивания белка стенки воронки предположительно не являются гладкими, и возникающие неровности и впадины определяют кинетические ловушки, — объясняет ДеЙорео. — Эта физическая картина сворачивания была подробно изучена на уровне отдельных молекул, но не рассматривалась для самосборки белков в протяженные архитектуры, хотя конформационные превращения являются неотъемлемой частью процесса самосборки».
ДеЙорео, Бертоцци и их коллеги восполнили этот пробел, изучив белки поверхностного слоя (S-слоя), которые самособираются в кристаллическую мембрану вокруг отдельных клеток бактерий и архей. Эта внешняя мембрана служит первой точкой контакта микроба с окружающей средой и имеет ключевое значение для его выживания. Используя атомно-силовую микроскопию (AFM) in situ, исследователи в реальном времени и на молекулярном уровне наблюдали кинетическое захватывание во время 2D-самосборки структур S-слоя на поверхности слюды.
«Мы наблюдали, что самосборка белков S-слоя идет по двум разным путям: один ведет непосредственно к конечному упорядоченному состоянию с низкой энергией, а другой — к кинетической ловушке, занятой долгоживущим переходным состоянием, которое более разупорядочено, — говорит ДеЙорео. — Хотя любое из состояний легко достижимо во время зарождения кристалла, если система попадает в состояние с высокой энергией, переход к конечному состоянию с низкой энергией сильно затруднен при комнатной температуре. Это демонстрирует важность кинетических ловушек в определении пути кристаллизации S-слоя и предполагает, что концепция воронок сворачивания в равной степени справедлива для самосборки протяженных белковых структур».