Российские ученые придумали конструктор для сборки белков

Ученые из МФТИ в сотрудничестве с коллегами из Объединенного института ядерных исследований разработали способ собирать объемные структуры для больших мембранных белков. Это поможет в разработке новых лекарств.

Для сборки белковых структур исследователи применили метод малоуглового рассеяния. Работа опубликована в журнале Acta Crystallographica sect. D.

Ученые экспериментировали с мембранными белками археи – одноклеточного микроорганизма. Для сборки были выбраны белки, реагирующие на синий цвет – сенсорный родопсин-2 и белок-трансдьюсер.

Сенсорный родопсин-2 присутствует в мембране археи Natronomonas pharaonis, он активируется в ответ на синий свет и передает сигнал своему партнеру — белку трансдьюсеру. Трансдьюсер с участием еще нескольких белков запускает работу бактериального жгутика, который уводит архею от синего света. Археи не любят синий цвет – он в электромагнитном спектре соседствует с ультрафиолетовым, который имеет опасный мутагенный эффект. Активация сенсорного родопсина 2 запускает механизм «убегания» археи от синего и, соответственно, ультрафиолетового света. Сенсорный родопсин 2 с трансдьюсером образуют в мембране клетки крупномасштабный белковый комплекс, который оказался удобным объектом для отработки методик структурных исследований.

Малоугловое рассеяние – классический метод для получения структурных параметров различных белков. До недавнего времени этот метод применяли только для водорастворимых белков. Мембранные белки этим методом проанализировать гораздо сложнее. Обычно методами малоуглового рассеяния получают структуры низкого разрешения, которые позволяют приблизительно понять поведение белков в растворе. Поэтому авторы исследования решили использовать структуры высокого разрешения для частей большого комплекса и добавить к ним данные, полученные малоугловым рассеянием. Таким образом, ученые соединили части большого комплекса и собрали трехмерную модель белка по частям, как мозаику.

Используя метод молекулярного моделирования, авторы работы установили взаимную ориентацию частей комплекса относительно друг друга и получили полноразмерную модель белка высокого разрешения. Удивительной оказалась возможность получения структуры высокого разрешения полноразмерного комплекса с помощью методов низкого разрешения, таких как малоугловое рассеяние. Еще более удивительным оказалось то, что вначале такая структура получилась абсолютно неправильной.

В природе встроенные в мембраны белки окружены липидами. При исследовании мембранных белков образцы проходят стадию солюбилизации, в процессе которой мембранную часть белковых комплексов окружают молекулы поверхностно-активных веществ (или детергентов).

«Сформированный таким образом детергентный пояс, с одной стороны, стабилизирует белковые комплексы в растворе, не дает им слипнуться друг с другом и выпасть в осадок. Однако, с другой стороны, он же вносит существенный вклад в картину рассеяния, достаточно сильный для того, чтобы получить совершенно неправильную модель работы белкового комплекса, если не учитывать этот детергентный пояс», – говорит Юрий Рижиков, сотрудник Центра исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ.

Так и произошло в самом начале исследования. Авторы получали неверную модель комплекса в так называемом Y-состоянии, основываясь на предположении о том, что картина малоуглового рентгеновского рассеяния представлена исключительно целевыми белками. Когда ученые учли вклад детергентного пояса и поняли, насколько сильно он повлиял на интерпретацию результатов, это было настолько удивительно, что стало примером по выбору оптимальной стратегии обработки данных малоуглового рассеяния для больших мембранных белковых комплексов.

«Модель высокого разрешения большого мембранного белкового комплекса была получена благодаря совместному использованию мощнейших методов структурных исследований: малоугловому рентгеновскому и нейтронному рассеянию. Сочетание этих методов с методами молекулярного моделирования позволило получить совершенно новую модель высокого разрешения для двухкомпонентного сигнального белкового комплекса», – резюмирует Александр Куклин, руководитель исследования, ведущий научный сотрудник Центра исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ.

Молекулярное исследование методом углового рассеяния проводилось на приборной базе Лаборатории нейтронной физики Объединенного института ядерных исследований.