Долговечные белки делают возможной жизнь в сокрушительных глубинах океана и, возможно, эволюционировали в жизнь под поверхностью скованных льдом океанических экзопланет. Эти белки остаются свернутыми, что позволяет им выполнять свои функции под огромным давлением. Но другие белки разворачиваются под давлением, что делает их неработоспособными. Какая между ними разница?
Во-первых, громкость. Теперь исследование, опубликованное на этой неделе в Nature Communications, позволяет предсказать, как изменится объем данного белка между свернутым и развернутым состоянием. Расчеты точно предсказывают, как белок будет реагировать на повышенное давление, проливают свет на внутреннюю работу жизни в океанских глубинах, а также могут дать представление об инопланетной жизни.
"Мы находим планеты с океаном, который, хотя и холодный на поверхности, вероятно, теплый на дне. Так как же будет выглядеть жизнь в этом космосе?" сказал Джордж Махатадзе, профессор биокомпьютеров и биоинформатики Constellation и член Центра биотехнологии и междисциплинарных исследований Политехнического института Ренсселера. «С такими вычислительными способностями мы можем посмотреть на протеом барофильных организмов на Земле и задаться вопросом - как адаптируются их белки?»
Ученым давно известно, что белок будет разворачиваться под повышенным давлением, если его развернутое состояние имеет меньший объем, и останется свернутым, если развернутое состояние имеет больший объем. Но хотя ученые экспериментально измерили изменение объема в диапазоне от -4% до +1%, когда белки, погруженные в воду, переходят из свернутого состояния в развернутое, прогнозные вычисления, соответствующие этим измерениям, выполнить было труднее.
Парадокс объема белка восходит к первым рентгеновским структурам белков, когда изображения показали, что 30 процентов объема белка состоит из пустот и полостей внутри несовершенно упакованных атомов структуры. Исследователи предположили, что белки теряют около 30 процентов своего объема при разворачивании, и удивлялись расхождению между этой цифрой и экспериментальными измерениями.
Стремясь устранить разницу, исследователи выдвинули гипотезу, что развернутые белки взаимодействуют с водой, в которую они были погружены, увеличивая объем, и предложили «метод переноса» для расчета этого эффекта. Их метод проверил изменение объема нескольких «модельных» молекул, обычно встречающихся в белках, при перемещении из неводного растворителя в воду. Однако этот метод привел к небольшому уменьшению объема, усугубив несоответствие с измерениями.
Группа Махатадзе нашла несколько ошибочных предположений в двух постулатах парадокса. Хотя атомы развернутого белка упакованы менее плотно, чем свернутого, сложная форма сохраняет некоторые пустоты и полости, поэтому уменьшение объема на 30 процентов нереально. Кроме того, метод переноса начинается с ошибки, поскольку неводный растворитель создает буфер для увеличения объема, который исчезает при погружении соединений в воду. Исследовательская группа написала компьютерную программу для точного расчета объема развернутого белка, заранее опубликованную отдельно в выпуске BMC Bioinformatics за 2015 год, и обнаружила 7-процентное уменьшение объема на основе потерянных пустот и полостей. Переход на метод переноса соединений из газовой фазы в воду привел к небольшому увеличению объема.
"Таким образом, эти два фактора - изменение объема, когда пустоты и полости устраняются в результате разворачивания, и изменение объема, когда развернутый белок подвергается воздействию воды - очень сложным образом нейтрализуют друг друга."
Тогда группа Махатадзе пошла еще дальше, обнаружив общее свойство в изменении объема 140 молекул: при погружении модельного соединения в воду увеличиваются в объеме только отдельные участки молекулы, а именно те участки, которые не -полярные, или не взаимодействующие с водой. Имея эту информацию, группа рассчитала процентное изменение объема для более чем 200 белков и соответствовала наблюдаемому диапазону от -4% до +1%.
"Мы не только достигаем экспериментального диапазона, мы также можем количественно предсказать изменение объема для данного белка."
«Молекулярная детерминанта влияния гидростатического давления на стабильность фолдинга белка» была опубликована в февральском выпуске Nature Communications. Кальвин Р. Чен, аспирант биологических наук, присоединился к Махатадзе в исследовании, которое финансировалось Национальным научным фондом «Химия и жизненные процессы» и использовало ресурсы Центра вычислительных инноваций Ренсселера и Среды открытий в области экстремальных наук и техники. (XSEDE).
Исследованию Махатадзе способствует видение Нового политехнического института, формирующейся парадигмы высшего образования, которая признает, что глобальные проблемы и возможности настолько велики, что даже самый талантливый человек, работающий в одиночку, не может адекватно справиться с ними. Rensselaer служит перекрестком для сотрудничества - работы с партнерами из разных дисциплин, секторов и географических регионов - для решения сложных глобальных задач с использованием самых передовых инструментов и технологий, многие из которых разработаны в Rensselaer. Исследования в Rensselaer направлены на решение некоторых из самых насущных мировых технологических проблем - от энергетической безопасности и устойчивого развития до биотехнологии и здоровья человека. Новый политехнический институт преображает глобальное влияние исследований, инновационную педагогику и жизнь студентов Rensselaer.