Исследование растительного фермента показывает, что белки могут легко менять свою структурную организацию

Белки — ферменты, сигнальные молекулы и структурные компоненты всего живого — обычно представляют как цепочки аминокислот. Однако почти все белки состоят из нескольких цепей, свернутых и связанных друг с другом, образуя сложные 3D-суперструктуры — молекулярные ассембли. Ключевой шаг в понимании биологии — выяснение, как белок выполняет свою работу, что требует знания его структуры вплоть до атомного уровня.

Новое исследование показывает, что понимание структуры белка может быть сложнее, чем кажется. Ученые из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab), изучая самый распространенный в мире белок — фермент фотосинтеза рубиско, показали, как эволюция может приводить к удивительному разнообразию молекулярных ассемблей, выполняющих одну и ту же функцию.

Результаты, опубликованные в Science Advances, позволяют предположить, что многие белки, структуру которых мы считали известной, могут существовать в других, неизвестных формах.

Исторически, если ученые определяли структуру и выясняли, что белок является димером (состоит из двух единиц), они могли предположить, что сходные белки также существуют в димерной форме. Однако малый размер выборки и систематическая ошибка отбора — неизбежные факторы, учитывая сложность перевода естественно жидких белков в твердые кристаллические формы для исследования методом рентгеновской кристаллографии — искажали реальную картину.

«Это как если бы вы вышли на улицу, увидели человека с собакой и, никогда не видев собак раньше, решили, что все собаки выглядят как такса. Но вам нужно пойти в собачий парк, чтобы увидеть всё разнообразие», — пояснил ведущий автор Патрик Ши.

Команда Ши совместно со специалистами по структурной биологии изучила рубиско II типа (встречается у бактерий и некоторых фотосинтезирующих микробов), используя:

• Традиционную кристаллографию (атомное разрешение).
• Малоугловое рентгеновское рассеяние (SAXS) — метод с меньшим разрешением, но способный делать «снимки» белков в их естественной, жидкой форме, с высокой пропускной способностью.

Ранее считалось, что хорошо изученный рубиско I типа (у растений) всегда образует «октамерное ядро» из восьми больших и восьми малых белковых единиц. Рубиско II типа, как полагали, существует в основном в виде димера, с несколькими редкими примерами гексамеров (шесть единиц).

Новое исследование показало, что большинство белков рубиско II типа на самом деле являются гексамерами, с редкими димерами. Также был обнаружен никогда ранее не виданный тетрамерный ассембль (четыре единицы).

Объединив структурные данные с последовательностями кодирующих генов, команда провела реконструкцию предковых последовательностей — компьютерный метод молекулярной эволюции, позволяющий оценить, как выглядели древние белки.

Реконструкция показала, что ген рубиско II типа в ходе эволюции менялся, производя белки с рядом структур, которые довольно легко трансформируются в новые формы или возвращаются к старым. В отличие от него, эволюционное давление привело к серии изменений, которые «закрепили» (структурно зафиксировали) рубиско I типа — процесс, называемый структурным укоренением (entrenchment). Поэтому октамерный ассембль — единственная форма, которую мы видим сейчас.

«Главный вывод этой работы — существует большая структурная пластичность. Белки могут быть гораздо более гибкими, чем мы считали», — заявил Патрик Ши.

После реконструкции команда провела мутационные эксперименты, чтобы увидеть, как изменение ассембли (в данном случае — разборка гексамера в димер) влияет на активность фермента. Неожиданно эта индуцированная мутация привела к форме рубиско, которая лучше утилизирует свою целевую молекулу — CO₂.

Естественный рубиско часто ошибочно связывает молекулу O₂ схожего размера, что снижает его продуктивность. Существует большой интерес к генетической модификации рубиско у сельскохозяйственных растений для повышения его сродства к CO₂ с целью создания более продуктивных и ресурсоэффективных культур. Однако ранее внимание было сосредоточено в основном на активном центре белка — области, где происходит связывание CO₂ или O₂.

«Это интересное открытие, которое предполагает, что для более успешной инженерии рубиско мы не можем смотреть только на простейший ответ — область фермента, которая непосредственно взаимодействует с CO₂. Возможно, существуют мутации вне этого активного центра, которые участвуют в активности и могут потенциально изменить функцию белка нужным нам образом. Это открывает двери для новых направлений исследований», — сказал первый автор Альберт Лю.

Соавтор Пол Адамс добавил: «Смешение использованных техник и междисциплинарный характер команды стали ключом к успеху. Эта работа подчеркивает силу объединения геномных данных и методов структурной биологии для изучения одной из важнейших проблем в биологии и получения неожиданных выводов».