Во-первых, объем. Теперь исследование, опубликованное на этой неделе в Nature Communications, позволяет предсказать, как объем данного белка изменится между свернутым и развернутым состояниями. Вычисления точно предсказывают, как белок отреагирует на повышенное давление, проливают свет на внутреннюю работу жизни в глубинах океана, а также могут дать представление о инопланетной жизни.
«Мы находим планеты с океаном, которые, хотя и холодные на поверхности, скорее всего, теплые внизу. Так как же будет выглядеть жизнь в этом пространстве?» сказал Георгий Махатадзе, профессор биокомпьютеров и биоинформатики Constellation, член Центра биотехнологии и междисциплинарных исследований Политехнического института Ренсселера. «Обладая этой вычислительной способностью, мы можем посмотреть на протеом барофильных организмов на Земле и спросить — как их белки адаптируются?»
Ученым давно известно, что белок будет разворачиваться под повышенным давлением, если его развернутое состояние имеет меньший объем, и останется свернутым, если развернутое состояние имеет больший объем. Но, хотя ученые экспериментально измерили изменение объема в диапазоне от -4% до + 1%, когда белки, погруженные в воду, переходят из свернутого в развернутое состояние, прогностические вычисления, соответствующие этим измерениям, были труднее.Парадокс объема белка восходит к первым рентгеновским структурам белков, когда изображения показали, что 30 процентов объема белка состоит из пустот и полостей внутри несовершенно упакованных атомов структуры.
Исследователи предположили, что белки потеряют около 30 процентов своего объема при раскрытии, и удивились несоответствию между этой цифрой и экспериментальными измерениями.Пытаясь устранить разницу, исследователи выдвинули гипотезу о том, что развернутые белки взаимодействуют с водой, в которую они были погружены, увеличивая объем, и предложили «метод переноса» для расчета этого эффекта. Их метод проверил изменение объема нескольких «модельных» молекул, обычно обнаруживаемых в белках, при перемещении из неводного растворителя в воду. Однако этот метод привел к небольшому уменьшению объема, что усугубило несоответствие с измерениями.
Группа Махатадзе нашла несколько ошибочных предположений в двух постулатах парадокса. Хотя атомы развернутого белка менее плотно упакованы, чем свернутого, сложная форма сохраняет некоторые пустоты и полости, поэтому 30-процентное уменьшение объема нереально.
Кроме того, метод переноса начинается с ошибки, потому что неводный растворитель создает буфер для увеличения объема, который исчезает, когда соединения погружаются в воду. Исследовательская группа написала компьютерную программу для точного расчета объема развернутого белка, прогресс, опубликованный отдельно в выпуске BMC Bioinformatics за 2015 год, и обнаружил 7-процентное уменьшение объема на основе потерянных пустот и полостей.
Переход на метод переноса, который перемещает соединения из газовой фазы в воду, приводит к небольшому увеличению объема.«Итак, эти два фактора — изменение объема, когда пустоты и полости устраняются путем разворачивания, и изменение объема, когда развернутый белок подвергается воздействию воды — очень сложным образом компенсируют друг друга».Затем группа Махатадзе пошла еще дальше, обнаружив общее свойство в изменении объема 140 молекул: когда модельное соединение погружается в воду, только определенные области молекулы увеличиваются в объеме, а именно те области, которые неполярны или не являются полярными. не взаимодействуют с водой.
Обладая этой информацией, группа рассчитала процентное изменение объема для более чем 200 белков и соответствовала наблюдаемому диапазону от -4% до + 1%.«Мы не только достигаем экспериментального диапазона, мы также можем количественно прогнозировать изменения объема для данного белка».«Молекулярная детерминанта эффектов гидростатического давления на стабильность укладки белков» была опубликована в февральском выпуске журнала Nature Communications.
Кэлвин Р. Чен, аспирант кафедры биологических наук, присоединился к Махатадзе в исследовании, которое финансировалось Национальным научным фондом «Химия и процессы жизни» и использовало ресурсы Центра вычислительных инноваций и экстремальной науки и инженерии Ренсселера. (XSEDE).Исследования Махатадзе основаны на видении Нового политехнического института, формирующейся парадигмы высшего образования, которая признает, что глобальные проблемы и возможности настолько велики, что не могут быть адекватно решены даже самым талантливым человеком, работающим в одиночку. Rensselaer служит перекрестком для сотрудничества — работы с партнерами из разных дисциплин, секторов и географических регионов — для решения сложных глобальных проблем с использованием самых передовых инструментов и технологий, многие из которых разработаны в Rensselaer.
Исследования в Rensselaer направлены на решение некоторых из наиболее актуальных мировых технологических проблем — от энергетической безопасности и устойчивого развития до биотехнологий и здоровья человека. Новый политехнический институт преобразует глобальное влияние исследований, новаторскую педагогику и жизнь студентов в Rensselaer.