Измерение движений белка с наносекундным разрешением

Исследователи из Департамента химии Технического университета Мюнхена (TUM, Германия) разработали метод, позволяющий наблюдать локальные движения в белках в масштабе времени от наносекунд до микросекунд. Изучив с его помощью движения белка виллина, они обнаружили две структуры, которые в остальном едва различимы. В одной могут происходить быстрые структурные изменения в наносекундном масштабе, необходимые для функции белка, в то время как другая остается жесткой. Результаты опубликованы в онлайн-выпуске журнала Proceedings of the National Academy of Sciences.

Актин — один из пяти важнейших белков клетки. Его филаменты удерживают клетку вместе и фиксируют ключевые компоненты. Белок виллин связывает актиновые филаменты, внося значительный вклад в стабилизацию клеточных структур. Из-за своего малого размера часть белка виллина, отвечающая за связывание актиновых филаментов (HP35), была предметом многочисленных компьютерных симуляций, направленных на понимание динамики белка. Однако экспериментальных исследований не было, так как эти движения происходят в масштабе микросекунд и даже наносекунд — временной диапазон, который до сих пор был практически недоступен для экспериментов.

Метод, разработанный группой профессора Томаса Кифхабера на основе быстрого переноса электрона между разными частями белка, впервые позволяет напрямую исследовать быстрые структурные изменения. В качестве модельной системы они выбрали HP35. Новая экспериментальная работа показала, что свернутый белок существует в двух конформациях, структурно очень похожих, но обладающих явно разными динамическими свойствами. В то время как в жесткой конформации значительные структурные изменения невозможны, гибкая конформация позволяет частям белка, ответственным за связывание актина, сворачиваться и разворачиваться за время порядка 100 наносекунд.

Две конформации находятся в равновесии и превращаются друг в друга в течение одной микросекунды. Структурное сходство объясняет, почему они не были обнаружены ранее — ни в структурных исследованиях, ни в компьютерных симуляциях. Используя измерения переноса электрона с временным разрешением, теперь можно различать и характеризовать разные состояния на основе их различной подвижности.

Эти результаты имеют фундаментальное значение для понимания функции белков и помогут прояснить механизмы сворачивания и неправильного сворачивания белков. Ученые надеются далее развить этот метод, чтобы применять его к более крупным белкам, важным для регуляции клеточных функций.