Жёсткое соединение белков: новый подход для вакцин и материалов

Исследователи из Института Пауля Шеррера (PSI) впервые соединили два белка с помощью свободностоящего жёсткого звена. Этот структурный элемент удерживает молекулы белков на определённом расстоянии и под определённым углом, подобно тому, как гриф штанги соединяет два груза. Такое соединение может помочь, например, в разработке вирусоподобных частиц для вакцин. Результаты опубликованы в журнале Structure.

Проблема гибкости

Соединить два белка, сохранив между ними заданные расстояние и угол с помощью белкового мостика, — сложная задача. Связующий элемент обычно оказывается слишком гибким, что позволяет белкам сближаться. При контакте белки взаимодействуют, что ограничивает их естественную свободу движения.

"Белки оптимизированы эволюцией за миллионы лет. В природе, где требуется жёсткость, они жёсткие. Но воспроизвести это в лаборатории трудно", — поясняет молекулярный биолог Роджер Бенуа.

Решение: спиральный мостик

Команда использовала сегмент белка, участвующего, например, в заживлении ран. Часть этого белка образует спираль (α-спираль), чья структура стабилизирована взаимодействиями боковых цепей. Эта спираль остаётся стабильной сама по себе и обладает высокой жёсткостью — почти как металлическая пружина из закалённой стали. С её помощью удалось соединить несколько белков заданным образом.

В аналогии со штангой это означает замену верёвки на металлическую спираль, что сохраняет постоянное расстояние и ориентацию между белками.

Применение в вакцинах

Жёсткие связи перспективны для разработки вакцин, в том числе против SARS-CoV-2, на основе вирусоподобных частиц. На их поверхность крепятся характерные для вируса белки, чтобы иммунная система вырабатывала антитела.

"Если связь между частицей и вирусным белком слишком гибкая, белки могут складываться обратно и становятся менее доступными для иммунной системы", — объясняет Бенуа.

Жёсткий спиральный спейсер позволяет белкам выступать от поверхности частиц под заданным углом и на фиксированном расстоянии, что потенциально может привести к созданию более эффективных вакцин.

Перспективы для материалов

Новый подход открывает возможности для создания биоматериалов. Спираль может служить строительным блоком в комбинации с другими белками. В перспективе можно создавать 3D-белковые каркасы для замены костной ткани или комбинировать белки в длинные нити для получения новых биоразлагаемых текстильных материалов, похожих на шёлк.

Польза для структурной биологии

Метод также полезен для исследований в области структурной биологии. Белки, соединённые через жёсткую спираль, можно оптимизировать для кристаллизации, сохраняя при этом их естественную подвижность в кристалле. Это упрощает изучение их структуры. С помощью новых методов, таких как использование рентгеновского лазера на свободных электронах SwissFEL в PSI, можно наблюдать белки в действии, например, при транспорте веществ через мембранные насосы.