Новые достижения в термодинамике процесса сворачивания белков
В биофизике кинетические состояния молекул играют определяющую роль в метаболических и физиологических процессах. В статье, опубликованной в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), впервые определены уровни энергии, энтропии и энтальпии сворачивания белка. Для этого команда использовала устройство с оптическими пинцетами, позволяющее изменять экспериментальную температуру от 5ºC до 40ºC.
Исследование возглавил профессор Феликс Риторт с факультета физики и Института нанонаук и нанотехнологий Университета Барселоны (IN2UB). Первым автором является исследователь Марк Рико-Пасто (UB), в работе также участвовали команды из Университета Падуи (Италия), Института биоинженерии в Лозанне (Швейцария) и компании SpliceBio.
Оптические пинцеты для изучения сложности живой материи
Появление инновационных методов, таких как оптические и магнитные пинцеты, произвело революцию в исследованиях в области биофизики, особенно в изучении термодинамических свойств макромолекул: белков, нуклеиновых кислот и т.д. Эта технология позволяет манипулировать отдельными молекулами с нанометровой точностью (10-9 метров), прикладывая силы в диапазоне пиконьютонов (10-12 ньютонов). Это дает возможность характеризовать термодинамические свойства сложных биомолекул с беспрецедентным разрешением.
Однако у этих методов есть ограничения, не позволяющие исследователям дифференцировать происхождение измеряемых сил. Комбинирование различных методик для расширения числа контрольных параметров является вызовом в биофизике. Именно это сделала команда в данном исследовании: внедрив температурный монитор в оптические пинцеты, чтобы впервые определить энтропию и энтальпию сворачивания белка.
Энергетические ландшафты при сворачивании белка
В процессе сворачивания белков и других макромолекул возникают различные кинетические состояния между нативным и денатурированным состояниями. Это переходные состояния, молекулярные промежуточные продукты и неправильно свернутые структуры, имеющие транзиторную природу, что затрудняет их термодинамическую характеристику в экспериментах с большим количеством молекул (порядка 1023, числа Авогадро). Особенно важны для сворачивания белка переходные состояния из-за их чрезвычайно короткого времени жизни.
«Наши результаты показывают, что во время переходного состояния белковый скелет уже построен. Однако большинство ван-дер-ваальсовых взаимодействий — слабых сил — между остатками не стабилизированы», — отмечает профессор Феликс Риторт.
«Выводы показывают, что сворачивание белка можно понимать как процесс, определяемый двумя шагами. На первом белок достигает переходного состояния, в котором строится нативная скелетная структура, а вода вытесняется изнутри полипептидной цепи. На втором шаге белок коллапсирует, стабилизируются взаимодействия между белковыми остатками, и белок достигает нативного состояния», — заключает исследователь.
Первичный анализ результатов показывает, что во время переходного состояния происходит изменение энтальпии и энтропии, соответствующее примерно 20% от общего, измеренного при сворачивании. «Это явление показывает, что белковая скелетная структура требует 20% взаимодействий между остатками. Наше понимание сворачивания белка согласуется с новейшими гипотезами в этой области», — отмечает Марк Рико-Пасто.
Несмотря на утверждение, что белковая скелетная структура строится во время переходного состояния, авторы говорят, что не могут сделать вывод о количестве нативных взаимодействий, существующих в этом состоянии. «Мы можем сделать первую оценку, но для количественной оценки этого результата требуется некоторая экспериментальная переменная, которая позволила бы нам измерить или определить количество связей, построенных во время молекулярного сворачивания в реальном времени».
Команда профессора Феликса Риторта ранее внесла значительный вклад в изучение термодинамических свойств сложных систем в биомолекулах. В предыдущих исследованиях команда использовала модель белка барназы — глобулярной биомолекулы, секретируемой Bacillus amyloliquefaciens, — разделенной переходным состоянием. Барназа, которая не показывает промежуточных состояний со временем жизни более миллисекунды во время сворачивания, также является эталонной моделью для метода характеристики переходных состояний во время процесса сворачивания белка (анализ phi-значения).