Исследователи выяснили причину высокой термостабильности «лабораторных» белков

Биоинженеры обнаружили, почему белки, созданные с нуля, обычно более устойчивы к высоким температурам, чем природные белки.

Природные белки с высокой термостабильностью ценятся в различных областях — от пищевой и целлюлозно-бумажной промышленности до химического производства. Улучшение термостабильности белков и поиск принципов, лежащих в её основе, — одна из самых актуальных тем в биотехнологиях.

Новое исследование, опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences 23 ноября 2020 года, открывает возможность создания лабораторных белков с ещё лучшими промышленными свойствами.

Учёные в области белкового дизайна пытаются создавать новые типы белков для медицинских, фармацевтических и промышленных применений. До недавнего времени инженеры работали в основном с модификацией существующих природных белков. Однако такие белки сложно изменить, не нарушив их функцию, — подобно добавлению пятого колеса к автомобилю.

Чтобы избежать этого, некоторые исследователи начали создавать новые белки полностью с нуля (de novo protein design).

Однако этот подход сопряжён со своими трудностями. Например, создание белков de novo требует больших вычислительных мощностей и полного понимания принципов фолдинга белков — того, как белковая цепь сворачивается в определённую трёхмерную структуру.

В биологии структура определяет функцию, подобно тому, как ключ подходит к замку. Форма биологической молекулы позволяет ей выполнять свою роль. При синтезе в клетке белки самопроизвольно принимают свою нативную структуру в соответствии с физическими законами.

Но принципы, управляющие этим процессом фолдинга, чрезвычайно сложны и во многом ещё не изучены. Поэтому значительная часть усилий в белковой инженерии направлена на поиск этих принципов.

Одной из загадок для дизайнеров белков оставалась высокая термостабильность «лабораторных» белков.

«По какой-то причине белки de novo неоднократно демонстрировали повышенную устойчивость к довольно высоким температурам по сравнению с природными белками, — сказал Нобуясу Кога, соавтор исследования. — Там, где другие денатурируют, лабораторные белки продолжают нормально работать при температуре выше 100 ºC».

Известные на сегодня принципы дизайна подчёркивают важность структуры белкового остова — цепи из атомов азота, углерода, кислорода и водорода.

С другой стороны, считалось, что плотная упаковка гидрофобного ядра природных белков — молекулярные взаимодействия, позволяющие им плотно прилегать друг к другу, как части пазла, — является доминирующей силой, управляющей фолдингом. Подобно тому, как масло и вода не смешиваются, гидрофобная часть белка в водной среде естественным образом собирается вместе без внешнего «толчка».

«Действительно, согласно нашим принципам дизайна, белковые ядра создавались специально как можно более плотно упакованными и гидрофобными, — пояснил Нобуясу Кога. — Поэтому вопрос был в следующем: что важнее для высокой термостабильности — структура остова или плотная упаковка гидрофобного ядра?»

Исследователи взяли созданные ими белки de novo, показавшие наивысшую термостабильность, и начали модифицировать десять аминокислот, участвующих в упаковке гидрофобного ядра. В результате они наблюдали сохранение способности к фолдингу и незначительное снижение общей термостабильности. Это говорит о том, что именно структура остова, а не упаковка гидрофобного ядра, вносит наибольший вклад в высокую термостабильность.

«Удивительно, что белок может сворачиваться, обладая высокой термостабильностью, даже при неплотной упаковке ядра», — отметил соавтор работы Наохиро Кобаяси.

«Плотная гидрофобная упаковка ядра, возможно, даже не очень важна для созданных белков, — добавила Рие Кога, соавтор исследования. — Мы можем создать исключительно стабильный белок, даже если упаковка ядра не является оптимальной».

Следующим шагом для исследователей станет дальнейшая разработка рациональных принципов белкового дизайна, особенно в отношении того, в какой степени можно изменять субструктуры остова (в частности, петли), не нарушая способности белка к фолдингу и его высокой термостабильности.