Биофизики из JILA измерили сворачивание белка более подробно, чем когда-либо прежде, обнаружив поведение, которое на удивление более сложное, чем было известно ранее. Результаты показывают, что до сих пор многое о поведении белков было скрыто от науки, поскольку происходило в более короткие сроки и с более тонкими изменениями в структуре, чем могли обнаружить обычные методы..
Белковые молекулы представляют собой цепочки аминокислот. Они складываются в трехмерные формы, которые определяют их функцию через серию промежуточных состояний, как оригами. Точное описание процесса складывания требует определения всех промежуточных состояний.
Исследование JILA выявило множество ранее неизвестных состояний путем разворачивания отдельного белка. Например, команда JILA определила 14 промежуточных состояний - в семь раз больше, чем наблюдалось ранее - всего в одной части бактериородопсина, белка микробов, который преобразует свет в химическую энергию и широко изучается в исследованиях.
«Повышение сложности было ошеломляющим», - сказал руководитель проекта Том Перкинс, биофизик из Национального института стандартов и технологий (NIST), работающий в JILA, партнерстве NIST и Университета Колорадо в Боулдере. «Лучшие инструменты выявили все виды скрытой динамики, которые были скрыты за последние 17 лет при использовании обычных технологий».
"Если вы пропускаете большую часть промежуточных состояний, значит, вы на самом деле не понимаете систему", - сказал он.
Знание фолдинга белков важно, потому что белки должны иметь правильную трехмерную структуру, чтобы нормально функционировать. Неправильный фолдинг может инактивировать белок или сделать его токсичным. Некоторые нейродегенеративные и другие заболевания связаны с неправильным сворачиванием определенных белков. За последние 50 лет фолдинг белка стал предметом большого междисциплинарного исследования.
Примечательно, что бактериородопсин представляет собой мембранный белок, который находится на границе между внутренней и внешней частями клеток. Как класс, мембранные белки намного крупнее и сложнее для изучения, чем глобулярные белки, которые находятся в центре внимания большинства исследований фолдинга белков.
Как описано в выпуске журнала Science от 3 марта 2017 г., Перкинс и его коллеги использовали атомно-силовой микроскоп (АСМ) для растяжения бактериородопсина и измерения его удлинения (в нанометрах) при различных скоростях вытягивания (измеряемых в нанометрах в секунду).). Новые измерения стали возможными благодаря предыдущей разработке JILA коротких мягких зондов АСМ, которые быстро измеряют резкие изменения силы - сигнализируя о промежуточном состоянии - по мере того, как белок разворачивается. Дальнейшие усовершенствования этих зондов позволили исследователям JILA исследовать бактериородопсин в 100 раз быстрее (за 1 микросекунду) и с 10-кратной точностью по силе тяги по сравнению с предыдущей работой.
Команда JILA обнаружила, что промежуточные состояния были не только более многочисленными, чем ожидалось, но и длились всего 8 микросекунд. Полученные результаты устранили давние расхождения между прошлыми экспериментальными данными и молекулярным моделированием, дав уверенность в использовании такого моделирования для дальнейшего изучения поведения мембранных белков.
Открытие и методы команды JILA могут быть применены ко многим другим молекулярным исследованиям, в том числе представляющим медицинский интерес, таким как взаимодействие между белками и лекарствами. В частности, структура бактериородопсина аналогична структуре белков, участвующих во многих заболеваниях человека и являющихся мишенями для многих лекарственных препаратов.