Биофизики предложили новый подход для кристаллизации мембранных белков

Учёные из МФТИ, Исследовательского центра Юлиха (Германия) и Института структурной биологии (Франция) разработали новый подход к кристаллизации мембранных белков. Впервые показано, что мембранные белки, заключённые в синтетические фрагменты клеточной мембраны — «нанодиски», — можно перенести в липидную кубическую фазу и кристаллизовать.

Исследование, опубликованное в ACS Crystal Growth & Design, позволит учёным кристаллизовать мембранные белки сразу после их функциональных исследований в определённой мембранной среде, избегая часто критической процедуры солюбилизации детергентами. Эта процедура нередко нарушает функциональность и структурную целостность белков, делая их непригодными для кристаллизации.

Мембранные белки представляют большой интерес для фундаментальных и прикладных исследований (например, разработки лекарств и оптогенетики). Они отвечают за множество процессов в живой клетке, контролируя её реакцию на окружающую среду и молекулярный транспорт через мембрану. Они являются важными мишенями для лекарств, и их структуры крайне важны для фармакологии. Знание структуры белков облегчает разработку новых препаратов и даёт понимание фундаментальных биологических процессов.

К сожалению, определение структур мембранных белков — серьёзная проблема для структурной биологии. Из примерно 7000 предсказанных человеческих мембранных белков структуры известны лишь для нескольких десятков. Из-за своего амфипатического характера мембранные белки необходимо извлекать из клеточной мембраны и солюбилизировать в водном растворе для биохимических исследований и последующей кристаллизации. Ранее учёным приходилось использовать «мыльные» молекулы — детергенты — для стабилизации мембранных белков в растворе. Однако эти молекулы часто нарушают стабильность и функциональность белка, ухудшая биофизический и структурный анализ.

Одним из выдающихся достижений последних лет стало изобретение миметиков мембраны — нанодисков — для работы с мембранными белками. Нанодиски — это дискообразные фрагменты клеточной мембраны, окружённые инженерным белковым «поясом» для стабилизации в водном растворе. Интересно, что наш организм также использует похожие частицы, липопротеины, для транспорта «пучков» липидов и молекул холестерина по кровеносным сосудам. Идею использовать подобные частицы в мембранной биохимии впервые предложил Стивен Слигар в 2002 году. С тех пор нанодиски нашли множество применений в биохимических и биофизических исследованиях мембранных белков. В отличие от детергентов, нанодиски обеспечивают более естественную среду для рефолдинга и стабилизации мембранных белков. Более того, диаметр нанодиска и липидный состав можно варьировать, чтобы имитировать клеточную мембрану для конкретных белков, что позволяет реконструировать крупные комплексы мембранных белков в почти нативном состоянии.

Нанодиски также широко используются для изучения структуры мембранных белков методами ЯМР (NMR), криоэлектронной микроскопии, атомно-силовой микроскопии и другими.

Прямое использование мембранных белков, встроенных в нанодиски, для кристаллизации имело бы огромное значение для структурной биологии, но, несмотря на значительные усилия, исследователям не удавалось доказать такую возможность. Учёные МФТИ нашли способ переносить мембранные белки, встроенные в нанодиски, непосредственно в липидную матрицу для кристаллизации и выращивать кристаллы мембранных белков, пригодные для рентгеноструктурного анализа высокого разрешения. В новом подходе нанодиски с мембранными белками «растворяются» в кристаллизационной матрице, после чего кристаллизация управляется свойствами липидной бислойной фазы в целом. Качество полученных таким образом кристаллов сопоставимо с кристаллами, выращенными по традиционным протоколам, но они имеют дополнительное преимущество — сохраняют белковые молекулы в функциональном состоянии.

«Мы надеемся, что метод, изученный в настоящей работе, может быть применён для кристаллизации мембранных белков в целом. Сочетание стабилизации мембранных белков с помощью нанодисков с современными методами кристаллизации может помочь учёным по всему миру лучше понять структуру и функцию мембранных белков», — сказал Михаил Николаев, первый автор статьи и исследователь Лаборатории перспективных исследований мембранных белков МФТИ.