Жизнь может процветать в самых экстремальных условиях на планете. Микробы процветают внутри горячих геотермальных источников, под холодным льдом, покрывающим Антарктиду, и под огромным давлением на дне океана. Чтобы эти организмы выжили и функционировали, необходимы ферменты, которые позволяют им жить и расти. Теперь исследователи из Джорджтаунского университета выяснили, что позволяет определенным ферментам функционировать при экстремальных нагрузках. Команда представит свою работу на 61-м собрании Биофизического общества, которое состоится 11-15 февраля 2017 года в Новом Орлеане.
Ферменты - это белки, которые ускоряют критические биохимические реакции в организме. Чтобы фермент работал, его молекулярная структура должна быть стабильной и гибкой. Чтобы облегчить реакцию, ферменту, возможно, придется принимать различные формы, известные как конформации, такие как открытая или закрытая конформация - механическое движение, которое не удастся, если его молекулярная структура будет слишком рыхлой или слишком плотной.
«Общая форма белка должна поддерживаться, иначе он будет разворачиваться и ничего не делать, но он также должен быть достаточно гибким, чтобы эта форма могла трансформироваться в различные функциональные конформации», - сказал Ци Хуан, выпускник. студент лаборатории Тошико Ичие в Джорджтаунском университете.
Более высокие температуры ослабили бы взаимодействие атомов в ферменте, сделав его менее стабильным, но более гибким. Высокое давление сжимало бы фермент и заставляло его становиться более жестким, делая его более стабильным, но менее гибким. Таким образом, чтобы фермент функционировал в экстремальных условиях, он должен адаптироваться, чтобы иметь нужный уровень стабильности и гибкости. Фермент, адаптированный к высоким давлениям, например, может быть более гибким, чем если бы он был адаптирован к нормальному давлению.
Чтобы лучше понять влияние давления на фермент - и, в частности, как оно влияет на его гибкость - исследователи под руководством Ичие использовали компьютеры для моделирования поведения фермента на молекулярном уровне при различных давлениях и температурах..
Исследователи хотели узнать, какой аспект гибкости фермента позволяет ему функционировать в условиях высокого давления. Фермент может быть более гибким в целом, как миска с желе, или более гибким только в суставах, как робот. Скорее всего, он может быть гибким в обоих направлениях.
Исследователи сосредоточились на хорошо изученном ферменте под названием дигидрофолатредуктаза, который содержится в знакомой кишечной палочке, бактерии, живущей в нормальных условиях, называемой мезофилом. Они также изучили версию фермента высокого давления, обнаруженного в M. profunda, микробе, обитающем на дне Атлантики, что сделало его как пьезофильным (любящим давление), так и психрофильным (холодолюбивым) организмом.
Сравнивая двух микробов, исследователи обнаружили, что наиболее важным является коллективное движение с участием небольших групп атомов, которые определяют желеобразную природу белка. Мезофильный фермент лучше всего работает при нормальном давлении, тогда как пьезофильный фермент лучше всего работает при высоком давлении. Исследователи обнаружили, что когда эти ферменты работали наилучшим образом, их коллективные движения были похожи, и для того, чтобы пьезофильный фермент адаптировался к высокому давлению, ему нужно было приспособить свое коллективное движение, чтобы оно соответствовало движению мезофила при нормальном давлении..
Понимание того, как процветают эти так называемые экстремофилы, помогает ученым оценить, в каких условиях может существовать жизнь - будь то в океане, глубоко под землей или даже в открытом космосе, - сказал Хуанг.
Такого рода исследования могут даже помочь исследователям создать белки из мезофильных организмов для работы в экстремальных условиях. «Мы можем изменить последовательность ДНК или аминокислоты мезофильного белка и заставить его функционировать при высоком давлении, низких или высоких температурах, как у этих экстремофилов», - сказал Хуанг. Это может быть полезно в промышленных условиях, например, при производстве биотоплива и других химикатов, для оптимального производства которых требуются экстремальные условия. Знание пределов микробной жизни также может быть полезно для стерилизации и консервирования пищевых продуктов с помощью обработки под высоким давлением.