Новый метод ускоряет изучение белков, помогая исследованиям лечения болезней

Белковые комплексы важны для большинства жизненных процессов в клетке и организме человека, таких как производство энергии, копирование ДНК и регуляция иммунной системы.

Эти комплексы, состоящие из групп связанных белковых цепей (субъединиц, subunits), также являются хорошими мишенями для лекарств, лечащих болезни.

Однако изучение их в нативном, естественном физиологическом состоянии с сохранением их 3D-структуры (protein folds) было сложной задачей.

Традиционные методы масс-спектрометрии и структурной биологии могут требовать разбиения белковых цепей на фрагменты или превращения частей белка в кристаллы.

Эти подходы не только нарушают структуру собранных белковых молекул, но и предполагают использование значительных количеств образцов и ожидание результатов в течение недель.

Исследователи из Северо-Восточного университета разработали новый метод сохранения структуры белковых комплексов и их взаимодействий в условиях, близких к нативным, с анализом за 30 минут или меньше, используя малые количества образца.

Ассоциированный научный сотрудник Анн-Лиз Мари и ассоциированный профессор химии и химической биологии Александр Р. Иванов говорят, что их исследование, опубликованное в Advanced Science, в конечном итоге может ускорить разработку лекарств для таких патологий, как болезни Альцгеймера и Паркинсона.

Их метод использует технику исследования, называемую капиллярный электрофорез-масс-спектрометрия (capillary electrophoresis-mass spectrometry, CE-MS), для изучения конформационных изменений белков и белковых комплексов.

Исследователи сообщают, что метод быстрый и высокочувствительный. Он «существенно минимизирует потребление и потерю образца, упрощает и сокращает аналитический рабочий процесс» и поддерживает изучаемый белок в «условиях, близких к физиологическим».

«Основной прогресс здесь — показать, что капиллярный электрофорез, сопряженный с масс-спектрометрией, может обеспечить структурный анализ больших белковых комплексов, которые необходимы для выполнения многих биологических функций», — говорит Иванов.

«Изменения в конформации белка могут привести к структурной дестабилизации, агрегации и потере биологической активности, что может привести к разрушительным человеческим патологиям, включая нейродегенеративные и онкологические заболевания», — отмечает он.

Масс-спектрометрия использует системы детектирования ионов и другие инструменты для идентификации и количественного определения различных молекул в биологическом или клиническом образце.

Добавление капиллярного электрофореза также позволяет эффективно разделять молекулы, включая белки, углеводы и нуклеотиды, погружая их в раствор и втягивая в стеклянный капилляр диаметром меньше человеческого волоса.

Это позволяет разделять их на основе заряда и размера молекулы под высоким напряжением перед анализом масс-спектрометрией, что дает исследователям возможность наблюдать их взаимодействие с другими молекулярными видами.

В этом исследовании Мари и Иванов изучили взаимодействия крупного белкового комплекса с нуклеотидами, ионами металлов, белковыми субстратами и другими белковыми комплексами.

«Мы также смогли точно определить мутации, изменения в последовательности аминокислот, которые мы специально вводили», — говорит Иванов.

Мари подчеркивает, что цель разработанной нативной техники CE-MS, находящейся на стыке аналитической химии, протеомики и структурной биологии, не в том, чтобы «конкурировать с традиционными методами структурной биологии, такими как рентгеновская кристаллография или криоэлектронная микроскопия».

«Мы думаем, что разработали относительно высокопроизводительную, надежную и эффективную дополнительную технику, которая чрезвычайно чувствительна», — говорит она. «Требуемые количества белков примерно в 10 000 раз ниже по сравнению с традиционными биохимическими/биофизическими методами».

Количества образца эквивалентны примерно 200–300 малым клеткам, «по сравнению со многими миллионами и миллиардами, требуемыми в обычных исследованиях», — говорит Иванов.

«Кроме того, традиционные методы структурной биологии могут занимать недели для получения результатов, в то время как анализы CE-MS могут занимать менее 30 минут», — добавляет Мари, отмечая, что новый подход «позволил нам отслеживать динамические изменения белков в растворе и в реальном времени».

«Метод может помочь исследовать взаимодействия между потенциальными кандидатами в лекарства и биологически важными белками для обнаружения, исследования, мониторинга и лечения человеческих патологий, используя минимальные количества образца», — говорит Мари.