Белки производятся в клетках в виде нитевидных молекул, которые затем объединяются в белковые структуры: одни сферические, другие трубчатые. Эти структуры распадаются при 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 денатурируется, когда превышается узкий температурный диапазон, в котором белки функционируют оптимально. Для кишечной бактерии E. coli оптимальная температура составляет около 37 ° C; все, что выше 46 ° C, и бактерии погибают, потому что белковые структуры разрушаются.Это основное предположение сейчас опровергается группой исследователей под руководством Паолы Пикотти, доцента биохимии 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 — самом обширном из когда-либо проведенных по этому вопросу — они изучили и сравнили все белки, протеом, от четырех организмов при разных температурах. Исследователи подвергли кишечную бактерию E. coli, клетки человека, дрожжевые клетки и термостойкую бактерию T. thermophilus воздействию постепенно повышающихся температур до 76 ° C. После каждого повышения температуры ученые измерили количество белков, присутствующих в клетках, и определили их структурные особенности. Всего исследователи проанализировали 8000 белков.Ключевые компоненты разрушаются первыми«Благодаря этому исследованию мы теперь можем показать, что только несколько белков разрушаются при температуре, при которой бактерия умирает», — говорит Пикотти. «Мы не смогли подтвердить предсказание о том, что большинство белков организма денатурирует одновременно».
Около 80 исследованных белков разрушились, как только температура на несколько градусов превысила видоспецифический оптимум. 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 перестает функционировать», — говорит Пикотти.Гибкость может сделать нестабильность
То, что ключевые компоненты биологической системы чувствительны к теплу, на первый взгляд может показаться эволюционной ошибкой. Однако эти белки часто нестабильны из-за своей гибкости, что позволяет им выполнять различные задачи в клетке, говорит биохимик. «Гибкость и стабильность могут быть взаимоисключающими. Ячейка должна идти на компромисс».Исследователи также показывают, что наиболее стабильные белки и наименее склонные к аберрантным или патологическим складкам также наиболее распространены в клетках.
С точки зрения клетки это имеет наибольший смысл. Если бы все было наоборот, и если бы наиболее распространенные белки перестраивались быстрее, 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 бактерии T. thermophilus не подвержены влиянию температуры выше 70 ° C? По словам исследователей, эти клетки будут предпочтительно стабилизировать более термочувствительные, функционально важные белки, например, посредством адаптированных белковых последовательностей.
Термостойкие бактерии для промышленных процессовОткрытия Пикотти можно использовать для генетической модификации организмов, чтобы они могли выдерживать более высокие температуры. Сегодня некоторые химические вещества, такие как этанол, производятся биотехнологическими методами с помощью бактерий.
Но эти бактерии часто работают только в узком температурном окне, что ограничивает урожай. Если бы производство могло продолжаться при более высоких температурах, урожай можно было бы оптимизировать без ущерба для бактерий.Исследователи также обнаружили доказательства того, что определенные 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 с повышением температуры, а затем агрегируется с другими подобными белками.
Эти и другие белки со схожими свойствами связаны с неврологическими расстройствами, такими как болезнь Альцгеймера или Паркинсона.Первое комплексное исследование стабильностиЭто первое крупномасштабное исследование термостабильности белков нескольких организмов 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.