Вычислительный микроскоп заглянул в работающую рибосому
Два новых исследования с беспрецедентной детализацией показывают, как рибосома взаимодействует с другими молекулами для сборки новых белков и их транспорта в биологических клетках. В работах использовался метод молекулярно-динамического гибкого подгоняемого моделирования (MDFF) для изучения взаимодействия рибосомы с двумя важными молекулярными партнерами.
Первое исследование, опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences, посвящено тонкой сигнализации между рибосомой и фактором элонгации (EF-Tu), который необходим для успешной сборки растущей белковой цепи. Второе, в журнале Structure, фокусируется на мембранном белке SecY, который связывается с рибосомой и направляет вновь формирующийся белок к месту назначения.
MDFF объединяет данные из двух надёжных, но ограниченных источников атомарной информации:
- Рентгеновская кристаллография — даёт высокое разрешение, но только для статичной кристаллической структуры отдельной молекулы.
- Криоэлектронная микроскопия (крио-ЭМ) — позволяет визуализировать динамическое взаимодействие молекул в клетке, но с низким разрешением.
Проблема кристаллографии в том, что молекулы (в данном случае рибосомы) искусственно извлекаются из клеточной среды. Крио-ЭМ даёт трёхмерный снимок молекулы в действии, но в виде «облака», показывающего объём, в котором находится 90% электронов системы. Для раскрытия химических деталей требуются вычисления.
Исследователи начали с построения компьютерных атомарных моделей рибосомно-белковых комплексов на основе кристаллических структур, а затем с помощью компьютера «подогнали» эти структуры в электронные облака, полученные методом крио-ЭМ. В исследовании SecY моделировалось поведение 2.7 миллиона атомов, что делает эту работу одной из крупнейших опубликованных компьютерных симуляций.
Ключевые результаты:
Взаимодействие с EF-Tu и тРНК: Обнаружены точные молекулярные манёвры, позволяющие рибосоме и EF-Tu распознать транспортную РНК (тРНК) с правильной аминокислотой. Когда рибосома распознаёт правильную тРНК, это вызывает изменение формы EF-Tu — «ворота» в нём открываются, запуская каскад химических взаимодействий для добавления аминокислоты к белку.
Взаимодействие с каналом SecY: Получены убедительные доказательства, что при синтезе мембранного или секретируемого белка рибосома связывается с одним каналом SecY. SecY вставляет две петлевые нити в выходной туннель рибосомы, что ослабляет «пробку», обычно запечатывающую канал. Пробка смещается, позволяя рибосоме направлять растущий белок через мембранный канал. Симуляции показали, что петли SecY не мешают выходу nascent-белка.
Метод MDFF, разработанный и сделанный свободно доступным для более чем 160 000 пользователей, позволяет использовать компьютер как микроскоп для получения более чёткой картины динамики рибосомы — perhaps самой важной и сложной молекулярной машины клетки.
Источник: University of Illinois at Urbana-Champaign