Исследователи разработали метод с точностью до одной молекулы для управления «липучестью» ферментов

Ученые из Университета Рутгерса разработали аналитический инструментарий для измерения сил связывания отдельных белков, когда их «отрывают» от субстрата, например, фермента. Это поможет в разработке новых наноматериалов, улучшит производство биотоплива и глобальный углеродный цикл, а также позволит находить новые и более эффективные мишени для лекарств.

Исследование, опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences, изучает молекулярные взаимодействия между белком-карбогидрат-связывающим модулем (CBM) и его субстратом — целлюлозой. Целлюлоза, полимер растительных волокон, состоящий из повторяющихся сахаров глюкозы, используется для производства текстиля, целлофана, картона и бумаги, а также служит возобновляемым сырьем для получения биотоплива и биохимикатов.

Целлюлоза — самое распространенное органическое соединение на Земле, которое естественным образом разлагается микроорганизмами, играя ключевую роль в глобальном углеродном цикле. Однако у ученых до сих пор ограниченное понимание того, как микроорганизмы, например бактерии, расщепляют целлюлозу, сначала закрепляясь или «прилипая» к поверхности субстрата с помощью карбогидрат-связывающих белков и ферментов.

По словам исследователей, для создания более эффективных ферментов и микробов, разлагающих целлюлозу на сахара для производства биотоплива (этанол, биодизель, «зеленое» дизельное топливо или биогаз), необходимо лучше понять, как карбогидрат-связывающие белки закрепляются на субстратах. Это позволит сконструировать ферменты с оптимальной «липучестью», которая максимизирует разложение целлюлозы микробами.

«Связывание белков и ферментов со сложными углеводами на границе раздела твердой и жидкой фаз — это фундаментально важное биологическое явление, имеющее значение для роста растений, инфекций патоген-клетка хозяина и производства биотоплива, — сказал Шишир Чундават, старший автор исследования. — Однако эти процессы поверхностного связывания плохо изучены из-за отсутствия аналитических инструментов для наблюдения за такими тонкими и кратковременными молекулярными взаимодействиями».

Методология описывает аналитическую технику для изучения того, как белки прилипают к поверхностям целлюлозы с молекулярной точностью, что дает представление о сложных механизмах, используемых микробными ферментами при разложении целлюлозы.

Чундават отметил, что разработанный в Рутгерсе инструментарий может измерять контакты отдельных молекул белок-углевод и соответствующие силы с точностью до 1 триллионной ньютона. Один ньютон примерно эквивалентен минимальной силе, необходимой, чтобы отклеить геккона от стены.

Исследовательская группа изучила белок CBM, который позволяет бактериальным клеткам плотно прикрепляться к поверхностям целлюлозы, подобно геккону. Ученые изменяли «липучесть» поверхности сконструированных белков, измеряемую с помощью нового инструментария, чтобы усилить активность разложения целлюлозы. Результаты, полученные с помощью инструментария, согласуются с другими экспериментами и моделированием, объясняющими молекулярные правила, ответственные за липучесть белка CBM к поверхностям целлюлозы.

«Если определенные CBM могут прилипать к углеводам в специфических структурных ориентациях, усиливающих функцию фермента, традиционные методы не способны различить одну конкретную ориентацию связывания от другой, необходимой для тонкой настройки липучести белка к поверхностям, — сказал Маркус Хакл, первый автор исследования. — Наш метод, однако, может улавливать эти тонкие различия, детектируя и измеряя сигнал от взаимодействия одной молекулы белка с целлюлозой».

Такой инструментарий может помочь ученым изучать и точно настраивать липкие молекулярные взаимодействия между белками и углеводами. В конечном итоге это поможет в разработке более эффективных таргетных белковых препаратов для медицины или промышленных ферментов для производства недорогого биотоплива.