Как белки вращаются на минеральных поверхностях
Прочность биологических материалов, таких как кости, зубы и раковины, обусловлена их составом: сочетанием твёрдых минералов и упругих органических молекул, в первую очередь белков. Учёные стремятся создать новое поколение продвинутых материалов, вдохновляясь этой природной архитектурой и используя белки и минералы. Ключевая задача — понять, как белки прикрепляются и собираются на поверхности минералов.
Белки — это крупные биологические молекулы, играющие центральную роль в жизни на Земле. Исследователи могут не только изучать природные белки, но и создавать искусственные с заданными характеристиками, структурой и свойствами. Это включает в себя проектирование белков, способных связываться с различными поверхностями, включая минералы, такие как слюда (мика). Контроль над этим процессом необходим для сборки биовдохновлённых материалов.
Совместная группа учёных из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL), Вашингтонского университета (UW) и Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Berkley Lab) исследовала движение специально созданных белковых наностержней на поверхности слюды. Результаты опубликованы в Proceedings of the National Academy of Science. В сотрудничестве с Институтом дизайна белков UW были разработаны наностержни разного размера, предназначенные для связывания со слюдой. Их движение в реальном времени отслеживали с помощью высокоскоростной микроскопии.
«Мы смогли отслеживать белковые наностержни с беспрецедентным разрешением, — сказал Шуай Чжан, доцент-исследователь кафедры материаловедения и инженерии UW, также работающий в PNNL. — Использованный нами атомно-силовой микроскоп невероятно мощный и позволяет видеть движение отдельных молекул в реальном времени».
Для точного наблюдения за вращением белков систему «белок-слюда» изучали в водной среде, что имитирует условия сборки белков на реальных минеральных поверхностях.
Анализ различных типов движения
Наблюдения под микроскопом дали огромный массив данных, анализ которого был сложной задачей. Команда из Berkley Lab решила эту проблему, разработав новый алгоритм машинного обучения, который резко сократил время обработки изображений. Это позволило изучить скорость движения белков и величину их поворота за один «шаг».
Наблюдения показали, что белки в основном двигались так, как и ожидалось: небольшими скачками, следуя модели движения, восходящей к Эйнштейну. Однако иногда белки совершали большие, быстрые скачки, которые эта модель объяснить не могла.
Чтобы разобраться в причинах разных типов движения, команда провела симуляции на основе данных микроскопии. Выяснилось, что энергия связи белка с поверхностью контролирует характер его вращения. Большую часть времени белки прочно связаны с поверхностью слюды и могут совершать лишь небольшие движения. Иногда они, по-видимому, ненадолго открепляются от поверхности. В эти короткие промежутки времени белки способны быстро перемещаться большими скачками.
«Сопоставление данных наблюдений и симуляций позволило нам идентифицировать оба типа движения белков, — сказал Бен Легг, химик из PNNL. — Мы считаем, что большие скачки имеют важные последствия для сборки белково-минеральных структур».
Понимание того, как движутся отдельные биологические молекулы, поможет исследователям разработать более эффективные методы сборки большого количества белков на поверхностях.