Исследование функциональных сегментов или «мотивов» белков помогло ученым определить минимальный набор ингредиентов, необходимых им для формирования биологических паттернов.
В статье для журнала eLife исследователи описывают, как они разобрали биологический феномен формирования белковых паттернов на его основные функциональные модули, а затем перестроили этот процесс с нуля совершенно по-новому.
Белки самоорганизуются, образуя структуры в живых клетках, которые необходимы для ключевых функций, таких как деление клеток, общение и движение. Ярким примером является система MinDE бактерии Escherichia coli (E. coli). Эта система производит колебания двух типов белков, MinD и MinE, между двумя полюсами палочковидных бактерий, перемещая механизм клеточного деления в среднюю клетку. Его можно воссоздать в лаборатории, что позволит ученым контролировать и манипулировать функциональными элементами, необходимыми для формирования паттерна, посредством белковых мутаций.
«Из-за своей простоты система MinDE оказалась неоценимой для понимания механизмов формирования белковых паттернов», - говорит Филипп Глок, аспирант Института биохимии Макса Планка в Мюнхене, Германия, и его коллеги. - ведущий автор вместе с Фритьофом Браунсом и Якобом Халатеком, оба из Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана. «Ключевой вопрос, который остается, заключается в том, можно ли еще больше уменьшить эту структурную и функциональную сложность, чтобы выявить набор минимальных ингредиентов для формирования паттерна».
Чтобы ответить на этот вопрос, Глок и его коллеги создали минималистическую версию MinE, которая играет антагонистическую роль в системе MinDE, состоящей из двух белков, путем разделения белка на набор основных функциональных мотивов, руководствуясь теоретическим моделированием. Одного мотива, короткой спиральной последовательности аминокислот, которую MinE использует для взаимодействия с MinD, недостаточно для создания паттернов. Но добавление других функциональных мотивов MinE по одному позволило ученым полностью разработать новые минимальные паттерн-образующие белковые мутанты.
Команда обнаружила, что по крайней мере еще один функциональный мотив необходим для формирования паттернов. Это может быть либо мотив связывания с мембраной, либо мотив димеризации, который связывается с другими молекулами того же типа. Ни один из этих мотивов не обязательно должен быть из нативного MinE, но его можно заменить и потенциально упростить еще больше.
Математическое моделирование позволило авторам объяснить, зачем нужны эти функции и как они позволяют формировать закономерности. Более того, они предсказали, как эти паттерны адаптируются к форме клеток E. coli. Команда говорит, что проверка этих предсказаний - захватывающая цель для будущих экспериментов.
«Наша работа обеспечивает отправную точку для модульной и настраиваемой экспериментальной платформы для разработки формирования белковых паттернов снизу вверх», - говорит Петра Швилле, доктор философии, директор отдела клеточной и молекулярной биофизики в Институт биохимии Макса Планка и соавтор вместе с физиком-теоретиком Эрвином Фреем из Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана. Она добавляет, что хотя паттерны, создаваемые новой системой, менее регулярны, чем паттерны, формируемые родной системой MinDE, их все же достаточно для воспроизведения и изучения основных биологических процессов.
Модель теперь можно использовать для изучения того, какие функциональные особенности, независимо от конкретной белковой системы, необходимо комбинировать, чтобы обеспечить самоорганизацию и формирование паттернов в биологии. «Наш модульный подход может также предоставить необходимые данные для компьютерного моделирования формирования паттернов у других типов бактерий, а также у более сложных организмов», - заключает Швилл.