Белки - рабочие лошадки нашего тела. Они поддерживают работу наших органов. Они регулируют наши клетки. Они являются мишенями для лекарств, которые лечат ряд заболеваний, включая рак и неврологические заболевания. Белки должны двигаться, чтобы функционировать, но ученые до сих пор очень мало знают о таких движениях со скоростью меньше наносекунды.
Причина этого пробела в знаниях может показаться странной проблемой: белки иногда движутся слишком медленно, чтобы некоторые ключевые ученые-технологи наблюдали за ними - настолько медленно, что технология не может уловить их движения. Эти белки по-прежнему движутся очень быстро - от наносекунд до микросекунд. Но до нового исследования исследователи могли видеть только белки, движущиеся быстрее, чем за наносекунду.
Исследование, опубликованное в прошлом месяце в журнале Science Advances группой химиков-биофизиков из Университета штата Огайо, изменило ситуацию. Исследователи нашли способ измерить, как белки движутся на более медленных скоростях - от сотен наносекунд до микросекунд. Открытие, фундаментальный прорыв, может открыть новое направление исследований для ученых, пытающихся понять, как белки ведут себя в организме.
Мы очень мало знаем о том, что белки делают в масштабах времени до микросекунд. Традиционные эксперименты дают очень мало информации, потому что способ, которым мы сейчас тестируем белки, теряет чувствительность на таких скоростях - есть окно, зависящее от того, как быстро белок движется, при этом мы не можем видеть, что делает белок и как он себя ведет», - сказал Рафаэль Брюшвейлер, научный сотрудник штата Огайо и профессор химии и биохимии в штате Огайо.«Наша цель здесь состояла в том, чтобы открыть это окно. Придумать инструмент для измерения того, как белки функционируют в этих временных масштабах, которые мы не могли наблюдать раньше».
Брюшвейлер десятилетиями работал над тем, чтобы лучше изучить белки, начиная со своего обучения в аспирантуре в Швейцарии. Он и его исследовательская группа в штате Огайо сосредоточены на ядерном магнитном резонансе (ЯМР), инструменте, который помогает ученым понять, как белки ведут себя в организме. Но этот инструмент, широко признанный в научном сообществе как окончательный инструмент для изучения белков, до этого открытия был неспособен измерить фундаментальное поведение белков на скоростях медленнее, чем наносекунда..
«В этой более медленной шкале времени информация об этих белках просто размыта - она есть, но наши инструменты не могут ее увидеть», - сказал Брюшвейлер. «Мы думали, что было замедленное движение, но его не было видно».
Для этого открытия Брюшвейлер и его команда добавили наночастицы - кремнезем или стекло - в раствор, содержащий воду и белки, и использовали тот же инструмент, ЯМР - по сути, магнитные капсулы высотой с два этажа - чтобы увидеть, как белки ответили. Белки, связанные с кремнеземом, внезапно сделали их видимыми для ученых, анализирующих их движения.
Это было, по словам Брюшвайлера, сродни разработке нового микроскопа, который мог бы видеть то, что ученые не могли видеть раньше.
"Это немного похоже на то, если бы у вас был телескоп, и вы смотрели бы на видимый свет от звезд", - сказал он. «Теперь у вас есть инфракрасный детектор, поэтому вы можете искать инфракрасный свет, который мы не можем увидеть невооруженным глазом. Он дает совершенно новое окно информации».
Эта дополнительная информация является строительным блоком науки, позволяя исследователям, изучающим белки, задавать более глубокие и точные вопросы.
"Это поможет нам взглянуть на белок и спросить, как он себя ведет? Что происходит, когда он взаимодействует с другим белком или лекарством?" - сказал Брюшвейлер. «Это тот тип информации, который нам нужен, чтобы понять функцию этих белков. У каждого белка есть своя функция в организме, и с помощью этого нового инструмента мы получаем представление о том, что они на самом деле делают, и начинаем лучше понимать, почему».
Возможность оценивать поведение белков на таких скоростях ставила Брюшвейлера в тупик на десятилетия. Он пытался найти решение 25 лет назад. Это исследование было «тщательным и хорошим, - сказал он, - но в конечном итоге потерпело крах». Он начал верить, что с помощью наших инструментов просто невозможно изучать белки, движущиеся со скоростью медленнее наносекунды.
Его лаборатория начала эксперименты с наночастицами в биологических жидкостях - моче, клеточных экстрактах, сыворотке - и он начал задаваться вопросом, могут ли наночастицы - которые, хотя и очень малы, но больше, чем белки - могли бы помочь сделать динамическое поведение белков видны ученым. И это сработало.
«Наука действительно имеет дело с этими непредсказуемыми вещами, которых никто не ожидал», - сказал он. «Вот что это такое».