Движение белков очень сложноеДвижение является частью функции белка, позволяя ему корректировать свою трехмерную форму и взаимодействовать с другими молекулами, такими как биологические молекулы и синтетические лекарства. Эти «функциональные» движения, однако, сложны и могут рассматриваться как механизм часов, в котором движения между сцепленными зубцами и пружинами в разных временных масштабах приводят к плавному движению стрелок.
В белке винтики и пружины — это молекулы, из которых он состоит: аминокислоты образуют его основу, каждая с боковыми цепями различных молекул, разветвляющихся со всех сторон в трех измерениях. Кроме того, молекулы воды на белке, а также в растворе, где он существует, например цитоплазма клетки, добавляет системе еще больше уровней сложности движения.
Но в отличие от часов, чьи индивидуальные движения четко определены, каждое из движений компонентов в белке на самом деле является случайным. В результате движение белков кажется почти хаотичным, и его практически невозможно изучить.Заморозьте, спите, просыпайтесь и двигайтесь
Группа ученых из EPFL, IBS-Grenoble и ENS-Lyon во главе с Линдоном Эмсли и Мартином Блэкледжем разработала новаторское решение проблемы движения: заморозьте белки, а затем наблюдайте, как они «просыпаются» от глубокого сна. Движение белков зависит от энергии, а температура — это, по сути, измерение энергии системы. Замораживая белки до температуры -168 ° C, исследователи смогли полностью остановить все интересующие движения молекул. Затем они медленно подняли температуру до точки, при которой белки смогли восстановить свои естественные движения, но гораздо медленнее.
Таким образом, можно было смотреть на каждое движение, которое белок совершает индивидуально и, что более важно, в последовательности.Чтобы обнаружить отдельные движения белков, ученые использовали спектроскопический метод, называемый ядерным магнитным резонансом (ЯМР), который использует магнитные свойства определенных атомов, таких как водород и углерод.
ЯМР работает путем помещения образца исследуемого белка в устройство с сильным магнитным полем и наблюдения за тем, как они реагируют на различные радиочастоты. Этот отклик регистрируется на компьютере, который выдает диаграмму пиков, каждый из которых представляет энергетические переходы в определенных атомах. В зависимости от свойств пиков на диаграмме ученые могут определить степень движения каждого атома в белке, например его основа, боковая цепь и т. д.Поскольку белки в этом исследовании необходимо было заморозить, команде пришлось скорректировать свою методологию ЯМР для работы с образцами при очень низких температурах и продолжать делать это, пока исследователи медленно повышали температуру, чтобы «разбудить белки».
Кроме того, замороженные твердые образцы трудно считывать с помощью ЯМР, поэтому пробирка, содержащая белки, также должна была постоянно вращаться под определенным («магическим») углом к магнитному полю ЯМР, чтобы улучшить разрешение. Наконец, на выполнение каждого ЯМР-эксперимента уходило несколько дней.Эти сложности были преодолены с помощью недавно разработанного устройства, которое было специально разработано для работы с ЯМР при низких и меняющихся температурах.
Чтобы добиться необходимого высокого разрешения, ученые объединили это устройство с точной роторной системой, которая могла вращать образец в течение длительных периодов времени.Иерархия движенияИспользуя свой инновационный подход, команда Эмсли обнаружила, что последовательность движений белка следует определенной иерархии при повышении температуры: сначала молекулы растворителя белка, затем боковые цепи белка и молекулы воды и, наконец, основа белка. Последовательность завершается функционально активным белком при температурах даже до -53 ° C, что значительно ниже физиологических уровней.
Это означает, что метод «пробуждения» очень эффективен для изучения движений белка индивидуально и последовательно.«Наша работа показывает, что мы можем использовать этот метод, который называется« твердотельный ЯМР с переменной температурой », чтобы получить уникальное и новое понимание роли динамики белков в биологии», — говорит Линдон Эмсли.
Теперь команда заинтересована в использовании этого метода, чтобы выяснить, насколько универсальна эта иерархия движений и что может вызывать различия между разными молекулами.