В каждый момент внутри человеческого тела исполняется тщательно поставленный танец.
Белки трясут своими телами и размахивают конечностями, и все это с целью оптимизации их взаимодействия с другими молекулами, включая другие белки. Эти крошечные движения, называемые вибрациями, позволяют молекулам быстро менять форму, чтобы связываться друг с другом, что, в свою очередь, облегчает такие задачи, как поглощение кислорода и восстановление клеток.
Эффективность организма при выполнении этих функций зависит от того, насколько хорошо могут взаимодействовать белки.
Но что делает один белок лучшим поклонником, чем другой?
Новое исследование проливает свет на этот вопрос, показывая, что в этом биологическом ухаживании танцевальные движения имеют значение.
«В прошлом исследования белковых вибраций были в основном сосредоточены на энергии этих вибраций», - говорит ведущий научный сотрудник Андреа Маркелз, доктор философии, профессор физики в Университете Колледжа искусств и наук Буффало. «Но мы обнаружили, что направление движения, по-видимому, имеет большее значение. Направление движения - направление, в котором движутся различные части белка, - действительно может определить, насколько хорошо белок выполняет свою биологическую функцию».
Выводы помогают заложить основу для разработки лекарств, нацеленных на молекулярные колебания. Такие фармацевтические препараты блокировали бы выполнение белками задач, способствующих заболеванию.
«Мы провели исследование, используя новую технику, которую мы разработали, называемую анизотропной терагерцовой микроскопией (АТМ), которая показывает, как природа использует движения белков для повышения эффективности. Затем мы можем оптимизировать эти движения для медицины и биотехнологии», - говорит первый автор. Кэтрин Ниссен, кандидат наук по физике UB.
Исследование, опубликованное 14 марта в журнале Biophysical Journal, было проведено UB, Университетом Перуджи в Италии и Медицинским исследовательским институтом Гауптмана-Вудворда. Он финансировался Национальным научным фондом (NSF).
Фокстрот или танго?
Исследование было сосредоточено на лизоциме белка куриного яйца, белке, содержащемся в яичном белке.
В качестве первого шага в своем проекте ученые сравнили регулярные колебания лизоцима с колебаниями лизоцима, когда он был связан с молекулой, присутствие которой блокировало выполнение белком его обычных биологических функций.
Ученые увидели, что свободные и заторможенные лизоцимы вибрировали с одинаковой энергией, но с разными направлениями движения: лизоцим двигался по типу ножниц.
«Результатом было фундаментальное изменение по сравнению с общепринятым представлением. Вибрации изменили свое направление, даже если энергия движений осталась прежней», - говорит Маркелз. (Она добавляет, что в качестве аналогии это похоже на двух людей, исполняющих разные танцы - фокстрот и танго, например, - но прилагающих одинаковое количество энергии.)
Та же динамика обнаружилась, когда команда сравнила обычный лизоцим с мутантным лизоцимом куриного яйца, который более эффективно выполнял свою работу. Мутантные и нормальные лизоцимы имели одинаковую энергию колебаний, но разные направления колебаний.
Прибор для измерения вибрации под ключ
Исследования молекулярных вибраций могут открыть новые возможности для разработки лекарств и искусственного сбора энергии (вибрации могут объяснить, почему фотосинтез так эффективен). Но исторически крошечные пульсации и сердцебиения в белках было очень трудно изучать.
Маркельц надеется изменить это, разработав готовый инструмент, который ученые всего мира смогут использовать для исследования вибраций.
Чтобы изучить лизоцим белка куриного яйца, ее команда использовала метод ATM, который ее исследовательская группа разработала собственными силами. В отличие от других методов, используемых для исследования колебаний белков, АТМ позволяет ученым наблюдать не только энергию колебаний, но и направление движений.
Национальный научный фонд недавно предоставил Маркелзу грант в размере почти 400 000 долларов на коммерциализацию простого в использовании прибора ATM, который расширит возможности научного сообщества по изучению молекулярных колебаний. По словам Маркелца, это устройство представляет собой большой шаг вперед по сравнению с другими существующими методами, которые обеспечивают лишь приблизительное представление о вибрациях и требуют очень сухих и холодных условий и дорогостоящего оборудования.