Благодаря своей структуре, эти белки позволяют понять принципы работы зрения, обоняния, нервной и сердечно-сосудистой систем на молекулярном уровне.
В рамках международного исследования, проведенного группой ученых, включая экспертов из МФТИ, исследования показали, что хорошо известный метод «йодного фазирования», широко используемый в структурной биологии, демонстрирует неожиданную универсальность при определении структуры белков, расположенных в клеточных мембранах. Понимание структуры этих белков позволяет на молекулярном уровне изучать механизмы зрения, обоняния, а также функционирования нервной и сердечно-сосудистой систем.
Авторы работы, опубликованной в Science Advances, используя известный метод йодного фазирования, ученые добились успеха в работе с четырьмя мембранными белками, относящимися к различным классам. Полученные данные свидетельствуют о том, что йод взаимодействует с этими белками сходным образом, что подтверждает перспективность данного подхода для изучения новых структур. Это, в свою очередь, позволит оперативно определять структуры, необходимые для ускоренной и экономичной разработки лекарственных препаратов с использованием компьютерных технологий.
Мембранные белки обладают наибольшей степенью взаимодействия среди биологических молекул
Известно, что все живые организмы состоят из клеток. Эти клетки, начиная с бактерий и заканчивая человеком, обладают схожей организацией. В частности, все они окружены плотной клеточной мембраной, которая препятствует проникновению большинства химических соединений. Такая изоляция позволяет клетке поддерживать стабильные внутренние условия, что необходимо для эффективной работы сложных биохимических процессов. Однако для выживания клетки должны отслеживать изменения во внешней среде и оперативно на них реагировать. Для этого в геноме каждой клетки каждого организма заложены сотни специализированных белков, которые интегрируются в клеточную мембрану (и, следовательно, называются мембранными) и отвечают за взаимодействие клетки с окружающей средой. Помимо этого, такие белки способны транспортировать внутрь клетки химические вещества, которые не проходят через клеточную мембрану, но необходимы для ее питания или осуществления биохимических реакций.
Структурная биология использует кристаллиографию, однако при этом возникают проблемы с определением фаз
Определение двухцепочечной структуры ДНК, совершённое Уотсоном и Криком в 1953 году, стало наиболее ярким достижением структурной биологии. Разработанная ими модель, основанная на структурных исследованиях Розалинд Франклин, позволила объяснить механизмы передачи генетической информации в клетках и стала фундаментом современной биологии.
Кристаллическая структура – ключевой метод в структурной биологии. С его помощью можно определить структуру биологических молекул, как правило, белков, с атомной точностью. Это обеспечивает не только понимание принципов функционирования белков, но и возможность прогнозирования их поведения на основе физических законов.
Вся кристаллография построена на физическом явлении дифракции. Для определения структуры кристаллических белковых молекул используется дифракция рентгеновского излучения. Благодаря высокой упорядоченности молекул в кристалле, дифракционный сигнал усиливается в определенных направлениях рассеяния, что позволяет его обнаружить даже на фоне помех. Однако при этом регистрируется лишь усредненный сигнал во всех направлениях, что приводит к потере фаз. Фазы содержат сведения о временных задержках между сигналами и критически важны для определения структуры молекулы по результатам дифракции. Потеря фаз аналогична потере информации при обесцвечивании изображения: сохраняется лишь интенсивность каждой точки, но информация о фазе теряется, что препятствует восстановлению значительной части данных.
В поисках утраченных фаз
В настоящее время широкий выбор уже существующих структур позволяет использовать компьютерные методы для подбора фаз: сначала выбираются начальные фазы, опираясь на известные решения, а затем они корректируются вручную. Тем не менее, такой метод не всегда оказывается эффективным. Это особенно актуально при работе с данными низкого разрешения, характерными для мембранных белков, или при анализе совершенно новых структур, не имеющих сходства с предыдущими.
В подобных ситуациях фазы определяют экспериментальным путем, применяя метод аномальной дифракции – специфическую несимметричность дифракционных сигналов, генерируемых тяжелыми химическими элементами, такими как йод, гадолиний, бром или сера). Для эффективного действия метода необходимо, чтобы эти элементы прочно взаимодействовали с молекулами белка в кристалле, обеспечивая хорошую упорядоченность и интенсивный дифракционный сигнал. Подбор подходящего элемента нередко занимает значительное время и приводит к расходу ценных образцов белковых кристаллов.
Учёные продемонстрировали, что метод будет эффективен при взаимодействии мембранных белков с ионами йода в растворе. Это обусловлено специфической чертой всех мембранных белков, встречающихся в природе: на границе между мембраной и раствором они несут положительный заряд, уравновешивающий отрицательный заряд поверхности мембраны. Ионы йода активно взаимодействуют с этими зарядами и связываются с белком в строго определенных точках, что обеспечивает успешное экспериментальное определение фаз.
«В ходе работы нам удалось успешно определить структуру четырех известных белков, происходящих из различных организмов: светочувствительной натриевой помпы из Krokinobacter eikastus, мембранного белка из кишечной палочки, аденозинового рецептора человека и протонной помпы из Marine Actinobacterial Clade. Анализ всех четырех структур подтвердил, что ионы йода взаимодействуют с положительно заряженными аминокислотами в области контакта белка с мембраной. По словам Игоря Мельникова, автора исследования, выпускника МФТИ и сотрудника Европейского центра синхротронной радиации, в отличие от брома, который иногда применяется для разрешения фазовой проблемы, йод обеспечивает более надежную связь с белком и гарантирует ее решение.