Новое ПО позволяет моделировать изменяющие форму белки в естественной клеточной среде

Молекулярные машины в клетках, состоящие из белковых комплексов, выполняют ключевые функции. Обычно их структуру изучают, выделяя белки из клеток, что лишает их контекста естественного окружения.

Криогенная электронная томография (cryo-ET) позволяет наблюдать белки в их нативной среде, получая 3D-структуры замороженных клеток. Это раскрывает, как и где белки взаимодействуют друг с другом.

Аспирант MIT Барретт Пауэлл задался вопросом, можно ли наблюдать молекулярные машины в действии. В статье, опубликованной 8 марта в Nature Methods, он описывает метод tomoDRGN для моделирования структурных различий белков в данных cryo-ET, возникающих из-за движений белков или их связывания с разными партнерами (структурная гетерогенность).

Метод основан на ранее разработанной в лаборатории Джоуи Дэвиса (MIT) методике cryoDRGN для изучения структурной гетерогенности в очищенных образцах. Пауэлл адаптировал этот подход для работы в клетках.

Ключевая сложность: в cryo-ET каждый частиц снимают более 40 раз под разными углами, что создаёт перегрузку информацией. Пауэлл перестроил модель cryoDRGN так, чтобы она использовала только данные наивысшего качества (ранние снимки, до радиационного повреждения). Исключение части данных не только ускорило вычисления, но и улучшило результат.

Для тестирования модели использовали общедоступные сырые данные из архива EMPIAR, где впервые визуализировали рибосомы внутри клеток с почти атомарным разрешением. tomoDRGN выявил структурную гетерогенность в этом наборе данных.

Один из ключевых результатов: tomoDRGN обнаружил, что часть рибосом в данных ассоциирована с бактериальной мембраной и участвует в процессе котрансляционной транслокации (одновременный синтез и транспорт белка через мембрану). Это позволяет строить новые гипотезы о работе рибосом с другими белковыми комплексами в естественной среде.

Далее метод протестировали на белке апоферритине (ферритин без железа), который обычно считают структурно однородным. Неожиданно tomoDRGN выявил минорную популяцию (всего 2% от набора данных) частиц ферритина с железом, что ранее не сообщалось. Это демонстрирует способность метода находить редкие структурные состояния, которые "усредняются" в обычной 3D-реконструкции.

В лаборатории Дэвиса планируют применять tomoDRGN для детального изучения биогенеза рибосом и других систем в клетках. Метод позволит ответить на вопросы: "Какие состояния мы теряем при очистке?" и "С какими партнёрами и комплексами белки взаимодействуют в клетке?"