Модуляция стабильности белка: новый подход к изучению эффектов косолюентов

Контроль процесса дестабилизации важен при манипуляциях с разворачиванием и сворачиванием белков in vitro. Для этого в качестве косолюентов — веществ, добавляемых в небольших количествах вместе с водой, — используют мочевину и спирты для дестабилизации и денатурации белков.

Мочевина нарушает нативную структуру белка, образуя неупорядоченные клубки, а обработка спиртом приводит к образованию спиральных структур. Исследования механизма действия косолюентов показали, что стабильность белка между его нативным и денатурированным состояниями связана с тем, как косолюент связывается с каждым из этих состояний.

Связывание косолюента с нативным или денатурированным состоянием белка регулируется параметрами предпочтительного связывания (PBP) — специфическими взаимодействиями с белком. Однако молекулярные механизмы, влияющие на стабильность белка в присутствии косолюента, до конца не изучены.

Команда исследователей из Японии использовала вычислительный инструмент, объясняющий, как косолюенты взаимодействуют с белком, и предсказывающий ключевые связи между белком, водой и косолюентом.

«Мы хотели глубже понять, как косолюент стабилизирует нативное или денатурированное состояние белка в растворе. Поэтому мы использовали вычислительные симуляции для определения PBP и выяснения, как мочевина и 2,2,2-трифторэтанол (TFE) вызывают свои противоположные эффекты», — говорит руководитель группы Томонари Суми, доцент Исследовательского института междисциплинарных наук Университета Окаямы.

Команда изучила зависимость стабильности от косолюента между нативным и денатурированным состояниями на примере дрожжевого белка GCN4-p1, который имеет четко определенную нативную структуру, состоящую из клубков и спиралей. Это сделало его идеальным для изучения стабилизации спиралей TFE и стабилизации клубков мочевиной в присутствии воды с помощью молекулярно-динамического моделирования.

«Мы смогли предсказать подходящее избыточное предпочтительное связывание (EPB) для обоих косолюентов. Во-первых, электростатические взаимодействия между TFE и боковыми цепями спиралей GCN4-p1 давали EPB, стабилизируя спирали. Во-вторых, дисперсионные и электростатические взаимодействия между мочевиной и клубками главных цепей GCN4-p1 способствовали EPB, стабилизируя клубки», — объясняет доктор Суми.

Данные моделирования группы согласуются с экспериментальными данными по стабилизации спиралей и клубков для TFE и мочевины. Таким образом, команда показала, что эти взаимодействия производят противоположные эффекты косолюентов. В контексте треугольной взаимосвязи белок-косолюент-вода гидроксильные группы TFE притягивались к полярным боковым цепям белка, в то время как мочевина предпочтительно связывалась с пептидным остовом белка.

«Мы уверены, что эти результаты принесут плоды для стабилизации белков в промышленности и медицине. Аналитические методы, примененные в этом исследовании, значительно сокращают время, необходимое для понимания того, как косолюенты влияют на структурную стабильность белка. Это может помочь нам обойти более традиционные методы, связанные с трудоемкими расчетами свободной энергии», — заключает доктор Суми.