Свет на пути к сворачиванию белкового оригами нового уровня
Сложный путь сворачивания, который белки используют для определения своей формы, был использован молекулярными биологами для создания одних из самых сложных на сегодняшний день синтетических белковых наноструктур.
Используя передовую установку P12 в EMBL Hamburg на синхротроне PETRA III в DESY, команда словенских исследователей в сотрудничестве с группой Свергуна из EMBL направила мощные рентгеновские лучи на искусственные белки, называемые coiled-coil origami. Белки были спроектированы для сворачивания в определённую форму на основе коротких модулей, взаимодействующих парами. Определив их молекулярную структуру на установке EMBL, исследователи подтвердили, что белки свернулись в желаемую форму, и изучили процесс самосборки шаг за шагом. Эти результаты углубляют понимание того, как синтетическое сворачивание белков по принципу оригами потенциально может доставлять терапевтические средства, позволяя более точно нацеливать лекарства, минимизируя побочные эффекты и максимизируя эффективность.
«Недавно учёные осознали, что природные белки представляют лишь крошечную долю возможных белковых форм и что мы можем использовать принципы дизайна, отличные от природных. Мы можем адаптировать созданные белки для изготовления новых материалов, доставки лекарств и вакцин и многого другого», — говорит Роман Йерала, синтетический биолог из Национального института химии в Любляне (Словения), руководивший работой по созданию бипирамиды из различных типов искусственных белковых цепей.
Белки, как молекулярные машины жизни, лучше подходят для потенциальных применений, чем ДНК. Белки, использованные в этом исследовании, были свернуты в сплетённые канаты, называемые coiled coils, которые легко связываются с другими частями той же цепи или с другими молекулами. Это делает их особенно хорошим строительным материалом для создания наноструктур на заказ.
Команда Романа сначала добилась успеха с более простой структурой оригами — одиночной пирамидой с треугольным основанием. Затем они объединили две разные цепи аминокислот, несущие сигнал для фермента-«ножниц» — протеазы, указывающий, где сделать разрез в белке-оригами. Таким образом им удалось заставить белок выполнить трансформацию оригами в другую форму.
Проливая свет на белковые растворы
Для такой работы исследователям нужны высокотехнологичные инструменты. Установка P12 в EMBL Hamburg особенно подходит для этой цели, а группа Свергуна из EMBL всемирно известна своим опытом в технике малоуглового рентгеновского рассеяния (SAXS). С 2018 года учёные EMBL сотрудничают со словенской группой, поддерживая их в использовании SAXS для изучения структуры белков-оригами.
«В SAXS мы направляем рентгеновские лучи на стеклянный капилляр, содержащий белковые растворы. Поскольку рентгеновские лучи рассеиваются при прохождении через раствор, у нас есть способ интерпретировать структуры», — говорит руководитель группы Дмитрий Свергун.
Используя установку EMBL вместе с электронной микроскопией, калориметрией, вычислительным моделированием и другими методами, исследователи собрали данные, необходимые для идентификации структур белков-оригами и подтверждения того, что формы соответствуют их общему дизайну оригами.
Исследователи наблюдали, что их синтетические белки собираются «снизу вверх»: сначала формируются мелкие детали, которые затем собираются в более крупную структуру. Понимание этого поможет исследователям с большей точностью конструировать более сложные структуры белкового оригами.
«Анализ SAXS был решающим для определения того, какой дизайн приводит к желаемым формам, а превосходные инструменты, разработанные в EMBL, позволили нам обнаружить уникальные особенности наших созданных каркасов», — говорит Фабио Лапента, постдок Национального института химии и ведущий автор их недавней статьи в Nature Communications, описывающей эту работу. — «Coiled coils — отличные инструменты, которые можно использовать как в клетках, так и в изолированных белках. Мы думаем, что можем расширить потенциал белкового оригами на основе coiled coils, чтобы создавать множество новых белковых фолдов и вводить интересные функциональности».