Исследование протонного насоса: новые данные о сворачивании белка бактериородопсина
Мембранные белки играют ключевую роль в разработке лекарств — около 50% препаратов нацелены на эти молекулы. Понимание их функции важно для создания новых эффективных лекарств. Для этого ученые изучают модельные белки, такие как бактериородопсин (bR), который под действием света перекачивает протоны через клеточную мембрану.
Хотя bR изучается полвека, недавно физики разработали методы наблюдения за механизмами и энергетикой его сворачивания в естественной среде — липидном бислое клеточной мембраны.
В новом исследовании, опубликованном в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), сотрудник JILA Томас Перкинс и его команда усовершенствовали эти методы, объединив атомно-силовую микроскопию (АСМ) с точно синхронизированными световыми триггерами для изучения функциональности белка в реальном времени.
«Энергетику мембранных белков изучать сложно, поэтому она плохо понятна, — пояснил Перкинс. — Используя АСМ и другие методы, мы можем создать способы заглянуть в этот процесс глубже». Лучшее понимание энергетики этих белков позволит химикам разрабатывать более эффективные препараты против заболеваний, вызванных их неправильной работой.
Измерение динамики белка за миллисекунды
На микроскопическом уровне bR работает с другими мембранными белками, создавая протонный градиент по одну сторону мембраны, чтобы затем пропустить протон на другую сторону. bR делает это, сворачивая и разворачивая свои спирали в определенные формы для контроля количества проходящих протонов. Этот процесс производит химическую энергию в виде аденозинтрифосфата (АТФ).
Для изучения белков, подобных bR, исследователи используют АСМ, которая действует как крошечный палец, осторожно «потягивающий» белок, чтобы ощутить его поверхность, картировать структуру и понять механизм сворачивания.
Поскольку процессы сворачивания bR запускаются светом, Перкинс и его соавтор Дэвид Джейкобсон добавили в процедуру АСМ световой элемент. Они прикрепили сверхтонкие зеленые светодиоды (которые активируют бактериородопсин) к металлической пластине на АСМ. Это позволило индуцировать сворачивание и разворачивание белка с миллисекундной точностью.
После сбора данных исследователи обнаружили, что белок правильно сворачивался в 60% случаев, позволяя протонам проходить через мембрану. Для проверки энергетики и функции сворачивания в реальном времени ученые создали мутантную версию белка bR, которая всегда оставалась в «открытом» (развернутом) состоянии. Новая экспериментальная установка позволила воспроизвести результаты, аналогичные наблюдаемым ранее в «открытой» фазе фотоцикла bR.
Загадка неправильно свернутого белка
Хотя Перкинс и Джейкобсон наблюдали правильное сворачивание в 60% случаев, в остальных 40% белок сворачивался неправильно, но все равно мог перекачивать протон через мембрану. «Неправильное сворачивание на самом деле стабилизирует [белок], — добавил Перкинс. — И это было действительно удивительно». Во многих случаях неправильное сворачивание белка не приводит к стабилизации.
Из-за энергетической стабилизации исследователи предположили, что структурные спирали bR не разделялись должным образом, чтобы обеспечить полностью открытый туннель для протона, но он все равно «просачивался» — процесс, который сложно обнаружить с помощью АСМ-визуализации.
Чтобы лучше понять механизмы неправильного сворачивания, ученые снизили силу натяжения в АСМ-анализе до нуля, чтобы проверить, заставит ли это белок сворачиваться правильно. Однако результат остался прежним: в 40% случаев происходило неправильное сворачивание.
Эти результаты озадачили исследователей. Хотя Перкинс и Джейкобсон не смогли установить причину таких случаев, они надеются продолжить расследование. Теперь им интересно, как эти результаты воспримет остальное сообщество биофизиков.
«Там могут быть более тонкие эффекты или, возможно, какая-то новая наука, — добавил Перкинс. — Возможно, существует путь, который, вероятно, люди раньше не могли увидеть».