Обнаружен новый тип трения в системах лиганд-белок
Междисциплинарная исследовательская группа из Институтов физической химии и физики Фрайбургского университета и Института биофизики Макса Планка во Франкфурте-на-Майне обнаружила новое, зависящее от направления трение в белках — анизотропное трение.
«До сих пор никто не наблюдал, чтобы трение в биомолекулах зависело от направления», — говорит физик д-р Штеффен Вольф из Фрайбургского университета. Результаты опубликованы в Nano Letters.
Эксперименты на модельном комплексе белок-лиганд
Белки — это микроскопические машины клеток. Они совершают работу в ходе своих функциональных циклов и, соответственно, подчиняются законам термодинамики, демонстрируют эффективность преобразования энергии и теряют энергию из-за диссипации. В макроскопической перспективе этот эффект соответствует кажущемуся трению.
На микроскопическом уровне известными источниками трения являются внутреннее трение белков, возникающее из-за возбуждения внутренних колебаний, и трение растворителя, вызванное ускорением окружающих молекул растворителя. Эти источники приводят к нагреву как белка, так и растворителя. Новый тип трения был обнаружен в ходе экспериментов на одиночных молекулах и моделирования на модельном комплексе белка и лиганда.
В экспериментах команда использовала новый метод стереографической спектроскопии одиночных молекул, основанный на атомно-силовой микроскопии (АСМ). Эта техника позволила изучать отрыв лиганда от белка, закрепленного на поверхности, не вдоль одной координаты, а вдоль всех трёх декартовых координат.
В ходе экспериментов д-р Ваньхао Цай, проф. д-р Торстен Хугель и д-р Бисан Н. Бальцер из Института физической химии Фрайбургского университета, а также д-р Якоб Т. Буллерьянн из Института Макса Планка с удивлением обнаружили, что трение при отрыве лиганда увеличивается с углом приложения силы.
Сочетание эксперимента и компьютерного моделирования
Мирьям Егер и д-р Штеффен Вольф из Института физики Фрайбургского университета затем воссоздали эксперимент с помощью компьютерного моделирования, используя высокопроизводительные вычисления (HPC) на кластере BinAC-HPC в Тюбингене. В ходе моделирования они определили, что работа по отрыву лиганда от его сайта связывания зависит от точного направления приложения силы.
Сопоставив результаты эксперимента и моделирования, исследователи поняли, что источник углозависимого трения — неопределённая и случайная ориентация белков, закреплённых на поверхности в эксперименте, вдоль их осей вращения. Команда многократно повторяла эксперименты по связыванию и отрыву лиганда от белка, чтобы получить статистически значимые результаты.
В каждом измерении лиганд связывался с другим белком. Следовательно, в каждом измерении лиганд отрывали под одним и тем же углом к поверхности, но от разных областей случайно ориентированного белка. Эту ориентацию невозможно определить ни в экспериментальной установке, ни в реальном мире, и каждое измерение нельзя точно и обратимо повторить. Поэтому каждый раз в биомолекулу вкладывалось разное количество энергии.
Необратимая часть этой энергии терялась в виде тепла, рассеиваясь в системе. Соответствующий эффект является источником трения, которое исследователи назвали анизотропным трением.
Фундаментальный тип трения
«Мы предполагаем, что этот ранее неизвестный и фундаментальный тип трения присутствует в каждой биологической сборке, где случайность в ориентации белка сочетается с направленностью приложения силы», — говорит биофизик д-р Бисан Н. Бальцер. Он поясняет, что это имеет место в биомолекулярных моторах или чувствительных к силе мембранных белках, а также в процессах вроде кровотока, где силы воздействуют на случайно ориентированные белки.
Бальцер заключает: «Таким образом, анизотропное трение — это ещё один важный элемент пазла для понимания трения как в технических приложениях, так и в биологических комплексах в целом».