Шелк паука состоит из волокнообразующих белков, запасенных пауком в специальной железе. Когда пауку нужен шелк, например, для создания паутины, он выдавливает белки шелка через длинный канал, в котором они подвергаются определенным механическим и химическим воздействиям и собираются в шелк. Белки шелка паука, как и все белки, состоят из 20 элементарных строительных блоков, известных как аминокислоты. Количество и последовательность этих аминокислот определяют свойства отдельных белков. Например, если гидрофобные аминокислоты, такие как лейцин, расположены в центре белка, результатом является значительная структурная стабильность. Таким образом, вы можете ожидать, что чрезвычайно прочный шелк паука будет содержать много лейцина. Однако, к своему большому удивлению, ученые из университетов Майнца и Вюрцбурга обнаружили, что в некоторых белках шелка пауков очень много другого строительного элемента, метионина.
Боковые цепи метионина, как известно, очень гибкие. «Именно такое обилие метионина в белке шелка паука заставило нас более внимательно изучить его динамику», - говорит профессор Уте Хельмих из Майнцского университета имени Иоганна Гутенберга (JGU). «Наше сотрудничество с командой доктора Ханнеса Нойвайлера из Университета Юлиуса-Максимилиана в Вюрцбурге (JMU) дало нам доступ к самым современным инструментам биофизических исследований."
Вюрцбургская группа систематически заменяла аминокислоту метионин в белках шелка паука лейцином и сравнивала укладку, стабильность и динамику полученных вариантов белка с помощью фотоиндуцированной флуоресцентной корреляционной спектроскопии с переносом электронов (PET-FCS). Доктор Ханнес Нойвейлер сыграл важную роль в разработке этой техники, а его лаборатория является мировым лидером в ее использовании для исследования биологических систем. Затем команда профессора Уте Хельмиха исследовала структуру и динамику двух вариантов белка с помощью спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР) высокого разрешения. «Мы проводим измерения ЯМР в Центре биомолекулярного магнитного резонанса Университета Гёте во Франкфурте - еще один пример потенциала, генерируемого нашим сотрудничеством в сети Университета Рейн-Майн», - подчеркнул Хельмих.
Метиониновые строительные блоки в белках шелка пауков обеспечивают гибкость
Объединение ПЭТ-ФТС и ЯМР-спектроскопии привело две исследовательские группы к неожиданному выводу, что метионин в белке шелка паука увеличивает гибкость белковой структуры, и именно эта гибкость позволяет отдельным белкам в шелке паука тесно взаимодействовать.«Мы обнаружили, что замена метионина лейцином не влияет на структуру белка шелка паука. На самом деле оба белка выглядят совершенно одинаково. В то же время, однако, природный белок, содержащий метионин, гораздо прочнее связывается с другими белками шелка паука. «Белок, содержащий лейцин, который мы синтезировали в лаборатории, в значительной степени теряет эту способность образовывать такие стабильные связи», - отметил Бенедикт Горецки, докторант в команде Хельмиха и один из двух основных авторов исследования, опубликованного в Nature Communications. «Мы были действительно поражены, так как это показывает, что не только форма белка определяет то, как он функционирует, но и, в значительной степени, его гибкость».
"Метионин не только делает белок более динамичным, но и улучшает его функциональность. По сути, он позволяет двум белкам специфически связываться друг с другом, что в противном случае было бы невозможно, даже если бы они имели одинаковую структуру", пояснила Джулия Хейби, докторант группы Нойвейлера и другой главный автор исследования.
«Форма следует за функцией» - это эмпирическое правило структурной биологии. Другими словами, то, что делает белок, обычно можно вывести из его трехмерной структуры. «Впечатляет, как природа может влиять на функцию белков, точно адаптируя их динамику», - добавила биохимик из Майнца профессор Уте Хельмих.
На основе этих результатов теперь можно выборочно модифицировать свойства белков шелка пауков, например, для синтеза новых высокостабильных биоматериалов. Кроме того, две группы также надеются дать общее представление о значимости динамики белков по отношению к их биологическим функциям. «Динамика белков важна во всех аспектах жизни», - заключил Хельмих. «Это справедливо как для пауков, так и для людей».