Структуры белков определяются с рекордной скоростью
Ученые из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли (Lawrence Berkeley National Laboratory) Министерства энергетики США разработали быстрый и эффективный способ определения структуры белков, сократив процесс, который часто занимает годы, до нескольких дней.
Эта высокопроизводительная система позволит ускорить разработку биотоплива, расшифровать, как экстремофилы выживают в убийственных для большинства организмов условиях, и лучше понять, как белки выполняют жизненно важные функции.
Метод поможет ученым успевать за растущим потоком данных из геномных исследований организмов и образцов окружающей среды, таких как морская вода и почва. Каждый новый ген в этих исследованиях кодирует белок, и структуру каждого белка необходимо охарактеризовать, чтобы определить его функцию. Однако текущие методы структурной характеристики медленны, из-за чего вновь открытые белки и их комплексы накапливаются, а их функция остается загадкой.
«В структурной геномике есть узкое место, и наша система решает эту проблему», — говорит Грег Хьюра, ученый из Отдела физической биологии лаборатории. Он разработал технику совместно с Джоном Тейнером из Отдела наук о жизни лаборатории и Исследовательского института Скриппса в Ла-Хойе, Калифорния. Майкл Адамс и другие ученые из Университета Джорджии также внесли вклад в исследование.
Их работа опубликована в онлайн-выпуске журнала Nature Methods от 20 июля.
Команда разработала систему на установке «Передний источник света» (Advanced Light Source, ALS) — национальном пользовательском центре в Беркли, генерирующем интенсивный свет для научных исследований. На пучковой линии SIBYLS они использовали метод малоуглового рентгеновского рассеяния (small angle x-ray scattering, SAXS), который позволяет получать изображения белка в его естественном состоянии (например, в растворе) с пространственным разрешением около 10 ангстрем, что достаточно для определения трехмерной формы белка. Яркий свет от ALS минимизирует количество материала, необходимое для каждого эксперимента, что делает метод практичным почти для любой биомолекулы.
Для максимальной скорости Хьюра установил робота, который автоматически переносит белковые образцы в позицию для анализа с помощью рентгеновского рассеяния. Для анализа полученных данных использовались суперкомпьютерные ресурсы Национального центра научных вычислений для исследований в области энергетики (National Energy Research Scientific Computing Center, NERSC) Министерства энергетики США, базирующегося в Беркли. Кластеры суперкомпьютера могут обрабатывать данные по 20 белкам в неделю, или более 1000 макромолекул в год.
В результате получилась система, работающая с головокружительной скоростью по сравнению с текущими методами определения формы и структуры белков: рентгеновской кристаллографией и ядерным магнитным резонансом. Недавно, в течение одного месяца, команда использовала систему для определения структуры 40 белков из Pyrococcus furiosus — микроскопического экстремофила, который может жить при 100°C.
«Это заняло бы несколько лет с помощью рентгеновской кристаллографии, — говорит Хьюра. — То, что раньше занимало годы, теперь может занять недели».
Тейнер добавляет: «Теперь мы можем получать структурную информацию в растворе для большинства образцов, а не для 15%, как в лучших текущих усилиях Инициативы структурной геномики с использованием ЯМР и кристаллографии».
Команда выбрала P. furiosus, потому что это интригующий кандидат для производства чистой энергии и других применений. У него есть метаболический путь, производящий водород — потенциальное альтернативное топливо. Многие промышленные процессы сильно кислые и очень горячие — условия, которые любит P. furiosus.
«Если бы мы могли узнать, какие белки организма позволяют ему процветать в этих условиях, то, возможно, мы смогли бы применить их для производства энергии и других целей», — говорит Хьюра.
Будущие усилия в синтетической биологии могут включать перенос полезного белка или сети белков из одного микроорганизма в другой. Для этого ученые должны выяснить, какую часть сети необходимо импортировать, чтобы она все еще выполняла свою работу. Это требует анализа отдельных белков в сотнях различных условий.
«Вот где наша система окажет большое влияние. Мы можем проводить такой структурный анализ за несколько недель, в отличие от лет с кристаллографией», — говорит Хьюра.
Конечно, такая скорость имеет свои компромиссы. Рентгеновская кристаллография дает изображения с чрезвычайно высоким разрешением, а SAXS определяет форму белка с гораздо более низким разрешением около 10 ангстрем (один ангстрем — одна десятимиллионная миллиметра).
Но уровень информации, предоставляемый кристаллографией, не всегда необходим. Иногда достаточно просто знать, похож ли один белок по форме на другой, чтобы узнать его функцию. А SAXS компенсирует недостаток точности, предоставляя точную информацию о форме, сборке и конформационных изменениях белков в растворе.
«Мы можем иметь меньше информации и все равно отвечать на вопросы, на которые нужно ответить», — говорит Хьюра, добавляя, что их метод поможет открыть следующую фазу геномных исследований. «Количество идентифицируемых генов растет огромными темпами. Нам нужно успевать за этим и узнавать обо всех белках, закодированных в этих генах».
Тейнер добавляет: «Эта система — пример потрясающего воздействия, которого мы можем достичь, сочетая физику и инженерию со структурной биологией, что возможно в государственных лабораториях, таких как Беркли».
Мультидисциплинарная работа, проведенная на пучковой линии 12.3.1 (SIBYLS) в ALS, также опиралась на ресурсы, предоставленные тремя разными управлениями в рамках Управления науки (SC) Министерства энергетики. Сама работа была частично поддержана Управлением биологических и экологических исследований (BER) SC. ALS поддерживается Управлением фундаментальных энергетических наук SC, а пучковая линия частично поддерживается BER. NERSC финансируется Управлением передовых научных вычислений SC.
Для облегчения коммуникации результатов команда создала веб-доступную базу данных www.Bioisis.net, которая архивирует все экспериментальные детали, связанные с каждым проанализированным образцом.