Разбейте яйцо, дайте ему опуститься на горячую сковороду, и почти сразу прозрачный и скользкий яичный белок станет белым и твердым. То, что вы случайно наблюдаете, когда жарите яйцо, является важным биохимическим явлением, называемым денатурацией белка.
Белки вырабатываются в клетках в виде нитевидных молекул, которые затем объединяются в белково-специфическую структуру: одни имеют сферическую форму, другие - трубчатую. Эти структуры распадаются во время денатурации; белки снова становятся нитевидными и в результате теряют свою функцию.
Денатурация одним махом?
Предыдущие исследования, основанные на компьютерном анализе, предполагали, что большая часть белков клетки денатурирует при превышении узкого температурного диапазона, в котором белки функционируют оптимально. Для кишечной бактерии E. coli оптимальная температура составляет около 37°C; температура выше 46°C, и бактерии погибают из-за разрушения белковых структур.
Это основное предположение в настоящее время опровергается группой исследователей во главе с Паолой Пикотти, доцентом кафедры биохимии в ETH Zurich. В исследовании, которое только что было опубликовано в журнале Science, исследователи показывают, что только небольшая часть ключевых белков денатурирует одновременно с достижением критического температурного порога.
В своем исследовании - наиболее полном из когда-либо проводившихся по этому вопросу - они изучили и сравнили все белки, протеом четырех организмов при разных температурах. Исследователи подвергли кишечную бактерию E. coli, клетки человека, дрожжевые клетки и термостойкую бактерию T. thermophilus постепенному повышению температуры до 76°C. После каждого повышения температуры ученые измеряли белки, присутствующие в клетках, и определяли их структурные особенности. Всего исследователи проанализировали 8000 белков.
Ключевые компоненты сворачиваются первыми
«Благодаря этому исследованию мы теперь можем показать, что лишь несколько белков разрушаются при температуре, при которой бактерия умирает», - говорит Пикотти. «Мы не смогли подтвердить предсказание о том, что большинство белков организма денатурируют одновременно».
Около 80 исследованных белков разрушались, как только температура превышала видоспецифичный оптимум на несколько градусов. Хотя они составляют лишь небольшую часть белков клетки, это оказывается фатальным для клетки, поскольку некоторые из этих типов белков выполняют жизненно важные функции или являются ключевыми компонентами большой белковой сети. «Как только эти ключевые компоненты выходят из строя, клетка не может продолжать функционировать», - говорит Пикотти.
Гибкость может привести к нестабильности
То, что ключевые компоненты биологической системы чувствительны к теплу, на первый взгляд может показаться ошибкой эволюции. Однако эти белки часто нестабильны из-за своей гибкости, которая позволяет им выполнять различные задачи в клетке, говорит биохимик. «Гибкость и стабильность могут быть взаимоисключающими. Клетка должна идти на компромисс».
Исследователи также показывают, что наиболее стабильные белки и наименее склонные к аберрантным или патологическим складкам также являются наиболее распространенными в клетках. С точки зрения клетки это наиболее разумно. Если бы это было наоборот, и наиболее распространенные белки неправильно свертывались бы быстрее всего, клетке пришлось бы вкладывать много энергии в их реконструкцию или утилизацию. По этой причине клетки гарантируют, что обычные белки более стабильны, чем редкие.
Но почему на бактерии T. thermophilus не действуют даже температуры выше 70°C? По словам исследователей, эти клетки будут предпочтительно стабилизировать более чувствительные к теплу, функционально важные белки, например, с помощью адаптированных белковых последовательностей.
Термостойкие бактерии для промышленных процессов
Выводы Пикотти могут быть использованы для генетической модификации организмов, чтобы они могли выдерживать более высокие температуры. Сегодня некоторые химические вещества, такие как этанол, производятся биотехнологическим путем с помощью бактерий. Но эти бактерии часто работают только в узком диапазоне температур, что ограничивает выход. Если бы производство могло осуществляться при более высоких температурах, выход можно было бы оптимизировать без ущерба для бактерий.
Исследователи также обнаружили доказательства того, что некоторые денатурированные белки имеют тенденцию снова слипаться при еще более высоких температурах и образовывать агрегаты. В клетках человека Пикотти и ее коллеги обнаружили, что белок DNMT1 сначала денатурирует при повышении температуры, а затем агрегирует с другими белками такого же типа. Эти и другие белки с аналогичными свойствами связаны с неврологическими расстройствами, такими как болезнь Альцгеймера или Паркинсона.
Первое комплексное исследование стабильности
Это первое исследование, посвященное изучению термостабильности белков нескольких организмов в больших масштабах непосредственно в сложном клеточном матриксе. Белки не выделяли из клеточной жидкости и не очищали для проведения измерений. Для своего исследования исследователи вскрыли клетки, а затем измерили стабильность всех белков непосредственно в клеточной жидкости при различных температурах..