Когда гемоглобин претерпевает только одну мутацию, эти белковые комплексы прилипают друг к другу, складываясь, как блоки Lego, в длинные жесткие нити. Эти нити, в свою очередь, удлиняют эритроциты, обнаруживаемые при серповидно-клеточной анемии. На протяжении более 50 лет это был единственный известный из учебников пример, в котором мутация вызывает образование таких филаментов. По словам доктора Эммануэля Леви и его группы из отдела структурной биологии Института науки Вейцмана, сборки, подобные Lego, должны были образовываться относительно часто в ходе эволюции. Может ли этот метод сборки быть обычным или даже легко воспроизводимым? Их ответ, недавно опубликованный в журнале Nature, может иметь значение как для биологических исследований, так и для нанонауки.
Гемоглобин и большое количество других белковых комплексов симметричны: состоят из одинаковых единиц. А поскольку одинаковые единицы производятся из одного и того же гена, каждая генетическая мутация повторяется в комплексе несколько раз. Мутации, которые создают липкие пятна и повторяются на противоположных сторонах комплекса, могут вызывать укладку белков в длинные белковые волокна. В отличие от амилоидоподобных белковых волокон комплексы в этих стопках не меняют форму и не разворачиваются для сборки.
Липкость возникает из-за того, что мутация заменяет аминокислоту, которая в норме является гидрофильной - «водолюбивой» - на гидрофобную - «ненавидящую воду». В водной среде, в которой движутся белки, гидрофобные области этих белков предпочитают взаимодействовать друг с другом, как пузырьки пены в воде.
В своих экспериментах Леви и его группа, в том числе Гектор Гарсия-Сейсдедос, Чарли Эмперёр-Мот (который сейчас работает в Национальной консерватории искусств и ремесел в Париже) и Надав Элад из Отдела поддержки химических исследований Института Вейцмана, началось с ультрасимметричного белкового комплекса, состоящего из восьми идентичных единиц. Они следовали только одному правилу мутации белков: замените гидрофильную аминокислоту на гидрофобную, «липкую».
Команда первоначально создала белки с тремя мутациями двух разных липких аминокислот и наблюдала самосборку, подобную Lego, в обоих случаях. В ходе дальнейших исследований команда экспериментировала с каждой мутацией по отдельности и обнаружила, что одна из них способна сама по себе производить длинные филаменты.
Итак, могут ли мутации, которые делают только одну вещь - повышают липкость поверхности белка - вызывать самосборку, подобную Lego? Исследователи мутировали 11 дополнительных белков, которые, как известно, образуют симметричные комплексы, создав всего 73 различных мутации, и произвели их в клетках пекарских дрожжей, добавив флуоресцентную белковую «метку», чтобы сделать возможным их визуализацию. В 30 из этих вариантов исследователи наблюдали поведение, которое предполагало самосборку: около половины из них были собраны в длинные нити, а другая половина была собрана вместе более аморфным образом, образуя «очаги».
Если исследователи так легко воспроизвели феномен серповидно-клеточных нитей в лаборатории, почему его больше не замечают в биомедицинских исследованиях? Леви предлагает два ответа: во-первых, команда обнаружила, что естественно симметричные белки эволюционировали, чтобы иметь дополнительные гидрофильные аминокислоты на своей поверхности, что свело к минимуму риск самосборки. Во-вторых, говорит Леви, исследователи, вероятно, видят больше сборок Lego, чем думают: «Теперь, когда исследователи знают, что они могут так легко эволюционировать, они могут более внимательно изучить фокусы и увидеть гораздо больше биологически значимых сборок, подобных Lego».
«Кроме того, - добавляет он, - филаменты так легко образуются в дрожжах, что они могут быть хорошими кандидатами на роль каркаса наноструктур. Наше исследование было уникальным в том, что оно не требовало сложного вычислительного дизайна, и нам не нужно было сканировать тысячи мутаций, чтобы найти ту, которую мы хотели. Мы просто начали с существующей структуры и нашли простую стратегию, позволяющую индуцировать сборку филаментов».