Вопреки тому, что считалось ранее, ферменты перемещаются в области с меньшим количеством субстрата. Они демонстрируют такое поведение, несмотря на то, что у них нет ни мыслительных, ни сенсорных способностей.
Хотя сочетание слов «случайный» и «предвзятый» может показаться противоречием, именно эти атрибуты описывают, как бактерии перемещаются и добывают себе пищу. Они следуют случайным путем, но с уклоном в сторону источника питательных веществ. Ученые из Центра мягкой и живой материи при Институте фундаментальных наук (IBS, Южная Корея) заметили, что ферменты, молекулы, помогающие биологическим реакциям протекать быстрее, движутся по похожей схеме, но в противоположном направлении: случайным образом перемещаясь в область с меньшим количеством субстратов. Эти результаты, полученные с помощью новых оптических технологий и опубликованные в качестве первой статьи в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), особенно интригуют, поскольку они отходят от традиционной точки зрения.
Тысячи ферментов способствуют множеству реакций в нашем организме, каждая из которых поддерживает нашу жизнь. Ферменты воздействуют на другие химические вещества, называемые субстратами, и ускоряют химические реакции, превращающие субстраты в продукты. Для этого ферменты и субстраты должны встретиться. Первоначально считалось, что ферменты и соответствующие им субстраты случайно сталкиваются друг с другом: «В стандартных учебниках упоминается, что ферменты и субстраты должны «каким-то образом» сближаться, взаимодействовать, и именно так происходят реакции. «каким-то образом» часть этого процесса. После сбора тысяч событий мы пришли к выводу, что блуждание ферментов носит случайный характер, а это означает, что они микроскопически направлены, как бактерии», - объясняет А-Янг Джи, первый автор этого исследования.
Движение плавающих бактерий известно как «беги и кувыркайся»: беги, поворачивайся и повторяй. Они идут в одном направлении, затем случайным образом меняют направление и повторяются. Однако в то время как бактерии ориентируются в сторону питания, ферменты движутся в направлении меньшей концентрации субстрата. «Молекулы лишены способности принимать решения, но неожиданно перемещаются в области с меньшим количеством субстрата. Действительно, субстрат вносит смещение направления, и чем выше концентрация субстрата, которую мы использовали в эксперименте, тем сильнее эта тенденция. Мы предполагаем, что это может быть способом сделать концентрацию продукта равномерной по всей среде, даже если концентрация субстрата неравномерна», - поясняет профессор Цви Тласти, который предложил теоретическое понимание этого исследования.
Поскольку длина шага каждого фермента составляет всего около 50 нанометров, необходимы чрезвычайно точные устройства для измерения их скорости и ориентации. Исследовательская группа под руководством Стива Граника изучила ферментативное движение с помощью технологии микроскопии сверхвысокого разрешения, известной как корреляционная спектроскопия флуоресценции стимулированного испускания-истощения или сокращенно STED-FCS.
В методе FCS ферменты украшены флуоресцентными молекулами, а их прохождение через маленькую точку регистрируется лазерным лучом. Собирается статистическая информация, такая как количество ферментов, прошедших через точку, и их скорость (скорость диффузии). В частности, команда дополнила FCS технологией STED, одной из сильных сторон этого исследовательского центра. STED концентрирует лазерный луч на чрезвычайно малой площади, что позволяет более точно измерить положение ферментов. В то время как лазерный луч FCS покрывает площадь около 250 нанометров в диаметре, что примерно в 25 раз больше диаметра фермента (10 нанометров). STED-FCS более точен, так как уменьшает диаметр луча до 50 нанометров, что сравнимо с расстоянием шага фермента.
Исследователи также разработали новый микрожидкостный чип, образованный каналами толщиной в микрометр, через которые могут проходить жидкости. Предыдущие исследования с использованием FCS без STED и другого микрофлюидного чипа показали, что ферменты перемещаются в область с наибольшей концентрацией субстрата. Однако эта новая технология позволяет проводить более глубокие наблюдения и показала обратное. Авторы считают, что результаты отличаются, потому что подробная информация о движении фермента была аннулирована при использовании более крупного лазерного луча. Это было бы похоже на локализацию кого-то в пределах 50 квадратных километров или в пределах 2 квадратных километров, последнее более точно.
Они создали условия, при которых фермент равномерно распределен внутри чипа, но концентрация субстрата меняется слева направо: от минимальной концентрации на правой стороне чипа, до максимальной концентрации на левой. Затем они использовали FCS для наблюдения за концентрацией и скоростью фермента внутри чипа и обнаружили, что фермент имеет тенденцию ускоряться по направлению к области с меньшей концентрацией субстрата (то есть к правой стороне чипа). Вместо этого, когда нет субстрата, ферменты не меняют свою скорость. Более того, возможности сверхвысокого разрешения STED-FCS продемонстрировали непревзойденную динамику.
Команда наблюдала такое же поведение с двумя парами фермент-субстрат по отдельности: уреаза-мочевина и ацетилхолинэстераза (АХЭ)-ацетилхолин. Первый фермент используется некоторыми микроорганизмами для превращения мочевины в аммиак и угольную кислоту, последний играет важную роль в нервно-мышечных соединениях.
В будущем исследовательская группа стремится расширить сложность исследования и сделать условия испытаний более похожими на реальные: «В этом исследовании изучалось поведение одного фермента в ответ на один субстрат. Далее мы планируем посмотрите на несколько ферментов одновременно Наш организм функционирует с каскадом реакций, что означает, что одна реакция запускает следующую: фермент А запускает фермент Б, затем Б запускает фермент С и т. д. Анализ STED-FCS может быть ключевым инструментом чтобы продвинуть метаболические исследования, выявив, как эти многочисленные ферментативные системы органически связаны», - заключает Джи.