Команда Райса во главе с биофизиками Питером Волинсом и Хосе Онучичем использовала компьютерные модели, чтобы показать, что энергетические ландшафты, которые описывают, как природа выбирает жизнеспособные белковые последовательности в эволюционных временных масштабах, используют по существу те же силы, что и те, которые позволяют белкам складываться менее чем за секунду. Для белков энергетические ландшафты служат картами, показывающими количество возможных форм, которые они могут принимать по мере складывания.Исследователи рассчитали и сравнили сворачивание природных белков спереди назад (на основе геномных последовательностей, которые формируются в течение эонов) и наоборот (на основе структур белков, которые формируются за микросекунды).
Результаты позволяют взглянуть на то, как природа отбирает полезные, стабильные белки.Помимо демонстрации того, как работает эволюция, их исследование направлено на то, чтобы дать ученым более эффективные способы предсказания структуры белков, что имеет решающее значение для понимания болезней и создания лекарств.
Исследование, опубликованное сегодня в Proceedings of the National Academy of Sciences, показывает, что когда оба теоретических подхода команды Райса — один эволюционный, другой — основанный на физике — применяются к конкретным белкам, они приводят к одним и тем же выводам относительно того, что исследователи называют температурой отбора, которая измеряет, насколько энергетический ландшафт белков направлял эволюцию. В любом случае температура отбора ниже, чем температура, при которой белки фактически сворачиваются; это показывает важность формы ландшафта для эволюции.
Низкая температура отбора указывает на то, что по мере развития функциональных белков они вынуждены иметь «воронкообразные» энергетические ландшафты, пишут ученые.Теории сворачивания, разработанные Онучичем и Волинсом почти два десятилетия назад, уже предполагали эту связь между эволюцией и физикой. Белки, которые начинаются как линейные цепочки аминокислот, запрограммированные генами, мгновенно превращаются в свои трехмерные нативные состояния, потому что они эволюционировали, чтобы подчиняться принципу минимального разочарования.
Согласно этому принципу, процесс сворачивания управляется взаимодействиями, находящимися в окончательной, стабильной форме.Волинс использовал этот фундаментальный закон, чтобы по-новому осмыслить складывание. В верхней части его складной воронки представлены все возможные способы сворачивания белка.
По мере того, как отдельные стадии белка объединяются, количество возможностей уменьшается, и воронка сужается и в конечном итоге достигает своего функционального нативного состояния.Сложный ландшафт воронки для каждого белка разный. На нем видны плавные наклоны, а также выходы на поверхность, где части белка могут останавливаться, в то время как другие догоняют, а также ловушки, которые могут привести к неправильной укладке белка.«Воронка показывает, что белок пробует вещи, которые в основном положительные, а не тратит время на тупики», — сказал Волинс. «Это, оказывается, разрешает то, что называлось парадоксом Левинталя».
Парадокс гласил, что даже относительно короткий белок из 100 кислот или остатков, который пытается сворачиваться всеми возможными способами, займет больше времени, чем возраст Вселенной, чтобы завершить процесс.Это может быть верно для случайных последовательностей, но явно не для эволюционировавших белков, иначе нас бы здесь не было. «Случайная последовательность пошла бы по неправильному пути, и ее пришлось бы отменить, пойти по другому неправильному пути и отменить ее», — сказал Волинс, который в своей оригинальной статье сравнил этот процесс с пьяным игроком в гольф, бесцельно блуждающим по полю для гольфа. . «Не было бы общего руководства к правильному решению».Таким образом, воронка — это полезная карта того, как функциональные белки достигают своего места назначения. «Единственный способ объяснить существование воронки — сказать, что последовательности не случайны, а являются результатом эволюции. Ключевая идея энергетического ландшафта (изображенного воронкой) имеет смысл только в свете эволюции, " он сказал.
В то время как Онучич и Волинс продвигали свои теории на протяжении десятилетий, только недавно появилась возможность проверить их значение для эволюции, используя два совершенно разных подхода, которые они разработали на плечах своей предыдущей работы.Один из алгоритмов, который они используют в Центре теоретической биологической физики Райса (CTBP), называется ассоциативной памятью, опосредованной водой, структурной и энергетической моделью (AWSEM). Исследователи используют AWSEM для обратного проектирования сворачивания белков, структуры которых были зафиксированы вековым (но очень трудоемким) процессом рентгеновской кристаллографии.
Другая модель, анализ прямой связи (DCA), идет по противоположному пути. Он начинается с генетических корней последовательности, чтобы построить карту того, как складывается полученный белок. Только с недавними достижениями в области секвенирования генов стала доступной достаточно большая и постоянно растущая библиотека такой информации для количественной проверки эволюции.
«Теперь у нас достаточно данных с обеих сторон», — сказал Волинс. «Мы наконец можем подтвердить, что физика складывания, которую мы видим в наших структурных моделях, соответствует воронкам из эволюционных моделей».Исследователи выбрали восемь семейств белков, для которых у них была как геномная информация (более 4500 последовательностей каждое), так и хотя бы один структурный пример, чтобы реализовать свой двухканальный анализ. Они использовали DCA для создания единой статистической модели для каждого семейства геномных последовательностей.Ключевым моментом является температура отбора, которая, как объяснил Онучик, является абстрактным показателем, взятым из фактических температур сворачивания белка (высокая) и температуры стеклования (низкая). «Когда белки складываются, они ищут физическое пространство, но когда белки эволюционируют, они перемещаются через пространство последовательностей, где поиск заключается в изменении последовательности аминокислот», — сказал он.
«Если температура отбора слишком высока в пространстве последовательностей, поиск даст все возможные последовательности. Но большинство из них не будет складываться правильно.
Низкая температура отбора говорит нам, насколько важна складчатость для эволюции».«Если бы температура отбора и температура складывания были одинаковыми, это говорило бы нам, что белки просто должны быть термодинамически стабильными», — сказал Волинс. «Но когда температура выделения ниже, чем температура складывания, пейзаж фактически должен быть направлен».«Если белки эволюционировали для поиска воронкообразных последовательностей, сигнатуры этой эволюции будут проецироваться на наблюдаемые нами последовательности», — сказал Онучич.
По его словам, близкое соответствие между данными о последовательности и анализом энергетической структуры ясно показывает такую ??подпись, «и важность этого огромна».«По сути, теперь у нас есть два совершенно разных источника информации, геномный и физический, которые рассказывают нам, как работает сворачивание белков», — сказал он. Знание того, как происходила эволюция, должно значительно ускорить создание белков людьми, «потому что мы можем очень быстро изменить последовательность и проверить его влияние на сворачивание», — сказал он.«Даже если вы не решите полностью конкретную проблему дизайна, вы можете сузить ее до того, где эксперименты станут гораздо более практичными», — сказал Онучич.
«Каждый из этих методов оказался очень полезным и мощным при использовании по отдельности, и мы только начинаем изучать, чего можно достичь, если их использовать вместе», — сказал Николас Шафер, постдокторский исследователь и соавтор Райса. «Я рад участвовать в том, что, как я думаю, станет взрывом исследований и приложений, основанных на таких идеях и методах».