Учёные обнаружили обширный массив неисследованных природой белковых укладок

Новое исследование пролило свет на удивительное разнообразие белковых структур и их укладок в природе. Учёные поставили цель выяснить, в какой степени природа исследовала обширный ландшафт возможных белковых топологий. Результаты показали ошеломляющее множество неисследованных белковых укладок, расширив наше понимание и раскрыв глубины белковой вселенной.

Исследование опубликовано в журнале Nature Structural & Molecular Biology.

Белки, строительные блоки жизни, сворачиваются в специфические трёхмерные структуры, что позволяет им выполнять биологические функции. Трёхмерная структура белка определяется его аминокислотной последовательностью. Хотя экспериментальные методы за годы успешно определили структуры многочисленных белков, открытие новых белковых укладок, определяемых расположением и связностью α-спиралей и β-тяжей, становится всё более редким. Это поднимает вопрос: насколько обширно пространство белковых укладок, не исследованное природой? Теоретические исследования пытались ответить на этот давний вопрос, но им не хватало экспериментальной проверки.

Чтобы ответить на него, исследовательская группа начала работу, сочетая теоретическое предсказание новых белковых укладок с экспериментальной проверкой их de novo дизайна.

Команда разработала правила на основе физической химии и данных о белковых структурах для теоретического предсказания возможных укладок. Эти правила использовали для предсказания новых αβ-укладок, состоящих из четырёх- или восьмицепочечного β-слоя, ещё не наблюдавшихся в текущей базе данных Protein Data Bank (PDB). Это привело к идентификации в общей сложности 12 356 новых укладок. Затем команда попыталась вычислительно спроектировать белки для предсказанных укладок с нуля, чтобы оценить их способность к сворачиванию и точность.

«Мы попытались вычислительно спроектировать белки со всеми предсказанными укладками, имеющими четырёхцепочечный β-слой, включая одну, формирующую узлоподобную структуру», — сказал Синтаро Минами из Exploratory Research Center on Life and Living Systems (ExCELLS). — «При проектировании мы не ожидали, что все они, особенно формирующие узлы, свернутся в запланированные структуры».

Результаты экспериментальной проверки оказались неожиданными. «Для всех укладок вычислительно спроектированные белковые структуры близко соответствовали экспериментальным структурам», — отметил Наохиро Кобаяси, старший научный сотрудник RIKEN.

Эти результаты предполагают существование по меньшей мере примерно 10 000 неисследованных сворачивающихся αβ-укладок. Это значительное открытие, учитывая, что в природе наблюдалось только 400 αβ-укладок. Это указывает, что множество потенциальных укладок остаются не нанесёнными на карту пространства белковых укладок.

Результаты породили несколько гипотез о структуре и эволюции белков:

• Одна гипотеза: белки, возможно, присутствуют в биологии недостаточно долго, чтобы были исследованы все возможные укладки.
• Другая гипотеза: белковые укладки в природе изначально смещены, поскольку вся жизнь на Земле произошла от общего предка.

«Белки, возможно, эволюционировали, многократно повторно используя определённые укладки, выражая при этом разные функции. Если внеземная жизнь существует, она может использовать другой набор белковых укладок», — предположил Джордж Чикенджи, доцент Университета Нагои.

Известно, что разнообразные функции белков порождаются разнообразием их трёхмерных структур. Это исследование показало существование по меньшей мере примерно 10 000 не нанесённых на карту сворачивающихся αβ-укладок.

«Дизайн белков с этими новыми укладками приведёт к ещё большему разнообразию структур. Это проложит путь к de novo дизайну функциональных белковых молекул и приведёт к прорывам в разработке лекарств, дизайне ферментов и других областях», — заключил Нобуясу Кога, профессор Exploratory Research Center on Life and Living Systems (ExCELLS), National Institutes of Natural Sciences (NINS).