Мгновенные снимки зарождения белка
Рождение белка — один из фундаментальных процессов жизни, однако учёные до сих пор многого о нём не знают.
Мгновенные «снимки» этого жизненно важного и загадочного процесса, созданные доцентом физики и компьютерных наук Сэмюэлем Чо и студенткой Джессикой Лойхтер, в будущем могут привести к созданию более эффективных антибиотиков.
Рождение белка
Белки — это «рабочие пчёлы» клетки. Они удаляют отходы, передают клеточные сигналы и осуществляют химические реакции, необходимые для функционирования организма. Без белков клетки не смогли бы работать, размножаться и погибли бы.
Однако это не всегда плохо, отмечает Лойхтер. Вирусы, бактерии и раковые клетки, как и всё живое в организме, также нуждаются в белках для размножения.
Учитывая, что, согласно отчёту CDC за 2013 год, более 2 миллионов человек ежегодно заболевают и около 23 000 умирают из-за устойчивых к лекарствам бактериальных инфекций, новый препарат, способный целенаправленно останавливать образование белков в этих патогенных организмах, стал бы мощным оружием против болезней.
Проблема создания такого препарата в том, что учёные мало знают о микроскопических условиях и структурах, участвующих в создании белков. Это затрудняет поиск мишеней внутри клетки, на которые можно было бы направить действие лекарств.
Как объяснил Чо, это связано в основном с тем, что формирование белка происходит в невероятно малом масштабе: «Весь процесс происходит в пространстве, в 100 миллиардов триллионов раз меньшем, чем капля воды. Даже лучшие наши микроскопы недостаточно мощны, чтобы изучать это в лаборатории».
Взгляд изнутри
Здесь на помощь приходит работа Чо и Лойхтер. Они создали компьютерную модель, которая симулирует необходимый белок — метионил-тРНК-синтетазу — на одной из самых ранних стадий образования белка в клетке бактерии E. coli.
Их модель позволяет точно моделировать процессы на молекулярном уровне, выявлять и характеризовать ранее неизвестные структуры и ключевые детали химических реакций, которые затем могут стать мишенями для лекарств. После этого экспериментаторы могут проверить в лаборатории цели, которые Чо и Лойхтер определили как критически важные.
«К счастью, у нас есть сотрудник на химическом факультете — Ребекка Александер, ведущий эксперт по метионил-тРНК-синтетазе», — говорит Чо.
Новые способы борьбы с болезнями
Следующим шагом в исследовании станет адаптация компьютерной модели для изучения других белков. «Существует ещё 20 белков, похожих на тот, который анализирует наша модель. Надеюсь, изучив этот, мы сможем применить аналогичные подходы к другим», — отметил Чо.
Лойхтер заявила, что выяснение того, как нарушить образование различных белков с помощью компьютерных моделей, — важный шаг к созданию новых методов лечения рака. «Наша модель может стать основой для поиска новых фармацевтических мишеней. Она также может предотвратить образование дефектного белка».
Кроме того, подобные модели можно использовать для разработки новых антибиотиков против устойчивых к лекарствам бактерий или «супербактерий». «Что, если мы сможем отключить важные реакции в бактериях? Более чёткая картина того, что на самом деле происходит внутри клетки, поможет нам понять, какие взаимодействия важны для производства белков, а какие нет», — задаётся вопросом Чо.
Взгляд в будущее
В начале этого месяца Лойхтер представила постер о своём компьютерном моделировании на 552-м семинаре WE-Heraeus в Институте технологий Карлсруэ в Германии — одной из самых известных в мире встреч биофизиков.
После выпуска этой весной Лойхтер планирует взять год перерыва, а затем вернуться к учёбе, чтобы получить степень MD-PhD.
Оглядываясь назад, она сказала, что работа с Чо стала ярчайшей частью её опыта в Университете Уэйк Форест: «Доктор Чо — прекрасный наставник. Он заботится не только о моих успехах в учёбе, но и о моём социальном и психическом состоянии. Он помог мне развить навыки и осознать, что я хочу посвятить карьеру поиску новых способов борьбы с различными заболеваниями».