Теперь можно создавать сложные, специально разработанные трансмембранные белки с нуля, сообщают ученые на этой неделе. Прогресс, возглавляемый молекулярными инженерами из Института дизайна белков Вашингтонского университета, позволит исследователям создавать трансмембранные белки, не встречающиеся в природе, для выполнения конкретных задач.
В живом мире трансмембранные белки встроены в мембраны всех клеток и клеточных органелл. Они необходимы для их нормального функционирования. Например, многие встречающиеся в природе трансмембранные белки действуют как шлюзы для движения определенных веществ через биологическую мембрану. Некоторые трансмембранные белки принимают или передают клеточные сигналы. Из-за такой роли многие лекарства предназначены для воздействия на трансмембранные белки и изменения их функции.
«Наши результаты открывают путь к дизайну многопроходных мембранных белков, которые могли бы имитировать белки, встречающиеся в природе, или иметь совершенно новую структуру, функции и применение», - сказал Дэвид Бейкер, профессор биохимии и биохимии Школы медицины Вашингтонского университета. директор Института белкового дизайна UW, руководивший проектом. Об исследовании сообщается в номере журнала Science от 1 марта. Пейлонг Лу, старший научный сотрудник лаборатории Бейкера, является ведущим автором статьи.
Но понять, как устроены трансмембранные белки и как они работают, оказалось непросто. Поскольку они действуют, будучи встроенными в клеточную мембрану, трансмембранные белки оказались более сложными для изучения, чем белки, которые действуют в водном растворе, составляющем цитоплазму клеток, или во внеклеточной жидкости.
В новом исследовании Лу и его коллеги использовали компьютерную программу, разработанную в лаборатории Бейкера и названную Rosetta, которая может предсказать структуру белка, в которую он свернется после того, как он будет синтезирован. Архитектура белка имеет решающее значение, поскольку структура белка определяет его функцию.
Форма белка формируется в результате сложных взаимодействий между аминокислотами, составляющими белковую цепь, и между аминокислотами и окружающей средой. В конечном счете, белок принимает форму, которая наилучшим образом уравновешивает все эти факторы, так что белок достигает минимально возможного энергетического состояния.
Программа Rosetta, используемая Лу и его коллегами, может предсказывать структуру белка, принимая во внимание эти взаимодействия и вычисляя минимальное общее энергетическое состояние. Нередко программа создает десятки тысяч модельных структур для аминокислотной последовательности, а затем идентифицирует те из них, которые имеют наименьшее энергетическое состояние. Было показано, что полученные модели точно представляют структуру, которую последовательность, вероятно, примет в природе.
Определение структуры трансмембранных белков затруднено, потому что части трансмембранных белков должны проходить через внутреннюю часть мембраны, которая состоит из маслянистых жиров, называемых липидами.
В жидкостях на водной основе аминокислотные остатки с полярными боковыми цепями - компоненты, которые могут иметь заряд при определенных физиологических условиях или которые участвуют в образовании водородных связей - имеют тенденцию располагаться на поверхности белка, где они могут взаимодействовать с водой, который имеет отрицательные и положительные боковые заряды по отношению к своей молекуле. В результате полярные остатки на белках называются гидрофильными или «водолюбивыми».
Неполярные остатки, с другой стороны, имеют тенденцию быть упакованными внутри белкового ядра вдали от полярной водной жидкости. Такие остатки называются гидрофобными или «водобоязненными». В результате взаимодействие между водолюбивыми и водобоязненными остатками белка и окружающими водянистыми жидкостями помогает управлять укладкой белка и стабилизирует окончательную структуру белка.
В мембранах, однако, укладка белков более сложна, потому что липидная внутренняя часть мембраны неполярна, то есть в ней нет разделения электрических зарядов. Это означает, что для того, чтобы быть стабильным, белок должен размещать на своей поверхности неполярные, боящиеся воды остатки, а внутри упаковывать свои полярные, водолюбивые остатки. Затем он должен найти способ стабилизировать свою структуру, создавая связи между гидрофильными остатками внутри своего ядра.
Ключом к решению проблемы, по словам Лу, было применение метода, разработанного лабораторией Бейкера, для конструирования белков таким образом, чтобы полярные гидрофильные остатки подходили таким образом, чтобы в достаточном количестве образовывались полярно-полярные взаимодействия, которые могли бы связывать белок вместе изнутри.
«Сборка этих «сетей скрытых водородных связей» была похожа на сборку пазла», - сказал Бейкер.
С помощью этого подхода Лу и его коллеги смогли производить разработанные трансмембранные белки внутри бактерий и клеток млекопитающих, используя целых 215 аминокислот. Полученные белки оказались очень термически стабильными и способны правильно ориентироваться на мембране. Подобно встречающимся в природе трансмембранным белкам, эти белки являются многопроходными, то есть они пересекают мембрану несколько раз и собираются в стабильные многобелковые комплексы, такие как димеры, тримеры и тетрамеры.
«Мы показали, что теперь можно точно конструировать сложные многопроходные трансмембранные белки, которые могут экспрессироваться в клетках. Это позволит исследователям создавать трансмембранные белки с совершенно новой структурой и функциями», - сказал Лу..