Почти треть всех белков живых существ прочно встроена в биомембрану - либо во внешнюю мембрану клетки, либо в границы внутренних клеточных компартментов. Там эти мембранные белки выполняют важные задачи, служа, например, в качестве молекулярных каналов для транспорта метаболитов и питательных веществ через мембрану или в качестве белков-сенсоров для восприятия клеточной среды.
Группа исследователей под руководством Даниэля Дж. Мюллера, профессора кафедры биосистемных наук и инженерии в ETH Zurich в Базеле, исследовала, как мембранным белкам удается проникать в мембраны. Для этого они использовали высокоточный метод, который позволяет им извлекать отдельные белки из мембран или осаждать их на них. Этот метод, известный как силовая спектроскопия одиночных молекул, позволяет ученым направлять управляемый компьютером кантилевер толщиной всего несколько нанометров в определенное место на поверхности мембраны с предельной точностью. Силы молекулярного сцепления заставляют белок, находящийся там, прилипать к кантилеверу.
Роль двух вспомогательных белков
В экспериментах с бактериальными белками исследователи смогли прояснить роль двух вспомогательных белков - вставки и транслоказы, которые позволяют мембранным белкам внедряться в мембрану. Инсертаза представляет собой один белок, тогда как транслоказа представляет собой комплекс, состоящий из нескольких белков. Оба они обеспечивают открытие пор в мембране. «В случае инсертазы мы можем думать об этой поре как о слайде. Мембранный белок изначально присутствует в виде неструктурированной пептидной цепи, которая скользит по этому слайду в мембрану. Затем в мембране эта пептидная цепь принимает свою функциональную трехмерную форму, - объясняет профессор ETH Мюллер. другое место в мембране для следующего белка», - продолжает он.
До сих пор исследования того, как функционируют эти вспомогательные белки, были неточными и использовали только короткие пептиды или проводились только вне биомембран. «Теперь мы впервые наблюдали и описали шаг за шагом, как весь белок встраивается в мембрану и принимает трехмерную форму», - говорит Татьяна Сердюк, постдоктор из группы профессора Мюллера в ETH и первый исследователь исследования. автор.
Исследователи ETH также смогли показать различия в том, как работают инсертазы и транслоказы: инсертазы вставляют пептидные нити в мембрану относительно быстро, но неуклюже.«Это означает, что они хорошо работают, особенно с небольшими белками», - говорит Мюллер. Транслоказы, с другой стороны, встраивают пептидные нити в мембрану участок за участком, что делает их более подходящими для более сложных белков.
Важно для медицины
Это исследование является случаем классического фундаментального исследования, которое имеет особое значение с учетом важности мембранных белков для медицины, как подчеркивает Мюллер: «Примерно половина всех лекарств действует на мембранные белки, и нам необходимо понять как эти мембранные белки формируются и как они работают».
Кроме того, силовая спектроскопия одиночных молекул, которую ученые ETH усовершенствовали для этого исследования, может быть использована в других приложениях: в связи с Национальным центром компетенций в исследованиях (NCCR) для проектирования молекулярных систем, Мюллер и другие ученые работают над созданием искусственных биологических клеток. «Этот метод можно использовать для индивидуальной подгонки биомембран к белкам, по сути, для их программирования», - говорит профессор ETH.«Искусственные клетки такого типа однажды можно будет использовать в качестве молекулярных фабрик для производства фармацевтических препаратов в промышленных масштабах».