Ученые разобрали и перепроектировали белковое формирование паттернов

Исследование функциональных сегментов, или "мотивов", белков помогло ученым определить минимальные компоненты, необходимые для формирования биологических паттернов.

В статье в журнале eLife исследователи описывают, как они разделили биологический феномен формирования белковых паттернов на основные функциональные модули, а затем заново воссоздали этот процесс с нуля совершенно новым способом.

Белки самоорганизуются, образуя паттерны в живых клетках, что необходимо для ключевых функций, таких как деление, коммуникация и движение клеток. Яркий пример — система MinDE бактерии Escherichia coli (E. coli). Эта система создает осцилляции двух типов белков, MinD и MinE, между двумя полюсами палочковидной бактерии, позиционируя механизм для деления клетки в её середине. Её можно воссоздать в лаборатории, что позволяет ученым контролировать и манипулировать функциональными элементами, необходимыми для формирования паттернов, с помощью мутаций белков.

"Благодаря своей простоте система MinDE была неоценима для понимания механизмов белкового формирования паттернов", — говорит Филипп Глок, аспирант Института биохимии Макса Планка в Мюнхене, соавтор исследования вместе с Фридтьофом Браунсом и Джейкобом Халатеком из Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана. "Ключевой вопрос, который остается, — можно ли еще больше упростить эту структурную и функциональную сложность, чтобы раскрыть набор минимальных ингредиентов для формирования паттернов".

Чтобы ответить на него, Глок и его коллеги создали минималистичную версию белка MinE, который играет антагонистическую роль в двухбелковой системе MinDE. Они "разобрали" белок на набор ключевых функциональных мотивов, руководствуясь теоретическим моделированием. Одного мотива — короткой спиральной последовательности аминокислот, которую MinE использует для взаимодействия с MinD, — недостаточно для самостоятельного создания паттернов. Но добавление других функциональных мотивов MinE по одному позволило ученым полностью сконструировать новые минимальные мутантные белки, формирующие паттерны.

Команда обнаружила, что для формирования паттернов требуется как минимум еще один функциональный мотив. Это может быть либо мотив для связывания с мембраной, либо димеризующий мотив, который связывается с другими молекулами того же типа. Ни один из этих мотивов не обязательно должен быть из нативного MinE — его можно заменить и, возможно, еще больше упростить.

Математическое моделирование затем позволило авторам объяснить, почему эти особенности необходимы и как они позволяют формироваться паттернам. Более того, они предсказали, как эти паттерны адаптируются к форме клетки E. coli. Проверка этих предсказаний — захватывающая цель для будущих экспериментов.

"Наша работа дает отправную точку для модульной и настраиваемой экспериментальной платформы для проектирования белкового формирования паттернов снизу вверх", — говорит Петра Швилле, доктор философии, директор департамента клеточной и молекулярной биофизики Института биохимии Макса Планка, соавтор исследования вместе с теоретическим физиком Эрвином Фреем из Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана. Она добавляет, что хотя паттерны, создаваемые новой системой, менее регулярны, чем формируемые нативной системой MinDE, они все еще достаточны для воспроизведения и изучения базовых биологических процессов.

Теперь эту модель можно использовать для изучения того, какие функциональные особенности, независимо от конкретной белковой системы, необходимо объединить, чтобы обеспечить самоорганизацию и формирование паттернов в биологии. "Наш модульный подход также может предоставить необходимые данные для компьютерного моделирования формирования паттернов у других типов бактерий, а также у более сложных организмов", — заключает Швилле.