Белки встряхивают свое тело и размахивают конечностями, и все это с целью оптимизации их взаимодействия с другими молекулами, включая другие белки. Эти крошечные движения, называемые вибрациями, позволяют молекулам быстро менять форму и связываться друг с другом, что, в свою очередь, облегчает такие задачи, как поглощение кислорода и восстановление клеток.
Эффективность организма при выполнении этих функций зависит от того, насколько хорошо могут взаимодействовать белки.Но что делает один белок более подходящим, чем другой?Новое исследование проливает свет на этот вопрос, показывая, что в этом биологическом ухаживании важны танцевальные движения.
«В прошлом исследования колебаний белков были сосредоточены на энергии этих колебаний», — говорит ведущий ученый Андреа Маркельц, доктор философии, профессор физики в Университете Колледжа искусств и наук Буффало. «Но мы обнаружили, что направление движения, кажется, имеет большее значение. Направление движения — направление, в котором движутся различные части белка — действительно может определять, насколько хорошо белок выполняет свою биологическую функцию».
Полученные данные помогают заложить основу для разработки лекарств, нацеленных на молекулярные колебания. Такие фармацевтические препараты будут препятствовать белкам выполнять задачи, которые способствуют развитию болезни.
«Мы провели исследование, используя новую технику, которую мы разработали, под названием анизотропная терагерцовая микроскопия (АТМ), которая показывает, как природа использует движения белков для повышения эффективности. Затем мы можем оптимизировать эти движения для медицины и биотехнологии», — говорит первый автор Кэтрин Ниссен из Великобритании. Кандидат физико-математических наук.
Исследование, опубликованное 14 марта в Biophysical Journal, было проведено UB, Университетом Перуджи в Италии и Медицинским исследовательским институтом Хауптмана-Вудворда. Он финансировался Национальным научным фондом (NSF).
Фокстрот или танго?Исследование было сосредоточено на лизоциме куриного яичного белка, белке, который содержится в яичных белках.
В качестве первого шага в своем проекте ученые сравнили регулярные колебания лизоцима с колебаниями лизоцима, когда он был связан с молекулой, присутствие которой не позволяло белку выполнять свои обычные биологические функции.Ученые увидели, что свободные и ингибированные лизоцимы колеблются с одинаковой энергией, но с разными направлениями движения: свободный лизоцим трепетал с шарнирным движением, подобно крыльям бабочки, в то время как ингибированный лизоцим двигался внутрь. узор, более похожий на ножницы.
«Результатом стало кардинальное изменение по сравнению с традиционным взглядом. Колебания изменили свое направление, даже несмотря на то, что энергия движений осталась прежней», — говорит Маркельц. (Она добавляет, что в качестве аналогии это сродни тому, что два человека исполняют разные танцы — например, фокстрот и танго — но прилагают одинаковое количество энергии.)Та же самая динамика проявилась, когда команда сравнила обычный лизоцим с мутантным лизоцимом куриного яичного белка, который более эффективно выполнял свою работу. Мутантный и нормальный лизоцимы имели одинаковые колебательные энергии, но разные направления колебаний.
Прибор для измерения вибрации под ключИсследования молекулярных колебаний могут открыть новые возможности для разработки лекарств и искусственного сбора энергии (вибрации могут объяснить, почему фотосинтез настолько эффективен). Но исторически крошечные пульсации и сердцебиение в белках было очень трудно изучить.Маркелц надеется изменить это, разработав под ключ инструмент, который ученые всего мира могут использовать для исследования вибраций.
Чтобы изучить лизоцим куриного яичного белка, ее команда использовала технику банкомата, которую ее исследовательская группа разработала собственными силами. В отличие от других методов, используемых для исследования колебаний белков, ATM позволяет ученым наблюдать не только энергии колебаний, но и направление движений.NSF недавно предоставил Маркелцу грант в размере почти 400000 долларов на коммерциализацию простого в использовании банкомата, который расширил бы возможности научного сообщества по изучению молекулярных колебаний.
По словам Маркельца, это устройство станет большим шагом вперед по сравнению с другими существующими методами, которые обеспечивают лишь приблизительный обзор вибраций и требуют очень сухой и холодной окружающей среды и дорогих помещений.