Разгадана тайна сворачивания белков: исследование объясняет долю упаковки ядра
В живых организмах каждый белок — биологический полимер из сотен аминокислот — выполняет специфические функции, такие как катализ, транспорт молекул или репарация ДНК. Для этого он должен свернуться в определённую форму. Это сложный процесс, критически важный для жизни, и, несмотря на прогресс в этой области, остаётся много открытых вопросов.
Исследование, опубликованное в PRX Life, проливает свет на эту проблему и может привести к новым способам дизайна белков для лекарств, биоматериалов и других применений.
Исследователи под руководством Кори О'Херна создали вычислительные модели для всех глобулярных белков в базе данных Protein Data Bank и измерили плотность упаковки их внутренних ядерных областей. У каждого белка доля упаковки ядра составила 55%. То есть, 55% пространства было занято атомами. Это привело команду к двум вопросам.
«Почему у всех было одинаковое значение? И, конкретно, почему это значение 55%?» — сказал О'Херн, профессор машиностроения, материаловедения, физики и прикладной физики. «Ответ, кажется, в том, что доля упаковки перестаёт увеличиваться, когда ядра белков "заклинивают" или становятся жёсткими».
То есть, отдельные аминокислоты, составляющие белковое ядро, не могли сжаться сильнее при сворачивании белка. Доля упаковки, при которой объекты "заклинивают", сильно зависит от их формы. Например, сферические объекты "заклинивают" при доле упаковки 64%.
«Но аминокислоты имеют сложную форму», — отметил О'Херн. — «Некоторые из них довольно сферические, но большинство — вытянутые из-за боковых цепей и шероховатые из-за всех связанных атомов водорода. Физика мягкой материи говорит нам, что "заклинившие" упаковки вытянутых, бугристых частиц не так плотны, как упаковки гладких сферических частиц, что объясняет низкое значение в 55%».
Интересное направление для будущих исследований — может ли доля упаковки белкового ядра стать плотнее, чем при физиологических условиях. Например, существуют исследования белков при высоком давлении, имитирующем условия глубоководных гидротермальных источников, возможно связанных с первоначальным синтезом органических молекул.
Структурная характеристика белков при высоком давлении показала, что доля упаковки ядра может увеличиваться до 58–60%. Таким образом, это исследование также связано с пониманием происхождения жизни.
«Теперь, когда мы знаем свойства белковых ядер в типичных условиях сворачивания, возможно, упаковка ядра не должна останавливаться на 55%», — сказал Алекс Григас, аспирант в лаборатории О'Херна и ведущий автор статьи. — «Если изменить условия растворителя, давление или температуру, можно заставить аминокислоты упаковываться более эффективно».
О'Херн добавил, что современный дизайн белков сосредоточен на создании новых последовательностей аминокислот для конструирования новых структур и функций. «Теперь эта работа открывает возможность, что даже с той же последовательностью аминокислот можно создавать новые белковые структуры и функции, просто изменяя условия сворачивания».