Химики получили новые данные о поведении воды в канале вируса гриппа
Исследователи из MIT под руководством профессора Мэй Хонг, в сотрудничестве с адъюнкт-профессором Адамом Виллардом, обнаружили, что вода в ионном канале является анизотропной, то есть частично упорядоченной. Эти данные, первые в своём роде, доказывают связь динамики и порядка воды с проводимостью протонов в ионном канале. Работа также открывает новые пути для разработки противовирусных препаратов.
Лаборатория Хонг провела сложные эксперименты ядерного магнитного резонанса (NMR), чтобы доказать существование анизотропной воды в протонном канале вируса гриппа M, в то время как группа Вилларда выполнила независимое моделирование молекулярной динамики для проверки и дополнения экспериментальных данных. Исследование было опубликовано в Communications Biology.
Вода в канале и вирус гриппа
Белок BM2 вируса гриппа B — это белковый канал, который подкисляет вирус, помогая ему высвободить генетический материал в заражённые клетки. Вода в этом канале играет критическую роль, облегчая перенос протонов через липидную мембрану.
Ранее лаборатория Хонг изучала, как аминокислота гистидин переносит протоны от воды в вирус, но не исследовала подробно сами молекулы воды. Новое исследование восполнило этот пробел в понимании смешанной водород-связанной цепи между водой и гистидином внутри канала M2.
Чтобы экспериментально обнаружить остаточную ориентацию молекул воды в канале без заморозки образца, лаборатория Хонг использовала релаксационную NMR-методику при температуре около 0 °C. При этой температуре молекулы воды вращались достаточно медленно, чтобы впервые наблюдать их подвижность и остаточную ориентацию в канале.
Больше пространства — больше порядка
Данные NMR-экспериментов показали, что молекулы воды в открытом состоянии канала BM2 более упорядочены, чем в закрытом, несмотря на то, что в открытом состоянии их больше. Исследователи обнаружили этот остаточный порядок, измерив магнитное свойство, называемое анизотропией химического сдвига для протонов воды. Более высокая ориентация воды при низком pH стала неожиданностью.
«Это изначально противоречило нашей интуиции», — говорит Хонг. Моделирование молекулярной динамики показало, что этот порядок индуцируется ключевым протон-селективным остатком гистидина, который положительно заряжен при низком pH.
Исследователи также обнаружили, что вода вращалась и перемещалась по каналу быстрее в открытом состоянии (низкий pH), чем в закрытом (высокий pH). Эти результаты вместе указывают, что молекулы воды претерпевают малые переориентации для установления выравнивания, необходимого для «протонного прыжка».
Подавление протонной проводимости и блокировка вируса
Моделирование молекулярной динамики позволило наблюдать, что в открытом состоянии водородная сеть воды имеет меньше «узких мест» для образования водородных связей, чем в закрытом. Таким образом, более быстрая динамика и более высокая ориентационная упорядоченность молекул воды в открытом канале создают структуру водной сети, необходимую для протонного прыжка и успешного заражения вирусом.
Когда вирус гриппа попадает в клетку, он оказывается в компартменте под названием эндосома. Кислая среда эндосомы заставляет белок открыть свой водопроницаемый путь и проводить протоны в вирус. Без молекул воды, передающих протоны, протоны не достигнут критического остатка гистидина. Цепочка передачи между молекулами воды и гистидином ответственна за протонную проводимость через канал M2. Эти выводы могут оказаться важными для разработки противовирусных препаратов.