Определение функции фермента требует совместных усилий учёных
Учёные секвенировали геномы почти 6900 организмов, но знают функции лишь примерно половины из обнаруженных генов, кодирующих белки. Мультидисциплинарные усилия 15 учёных из трёх институтов позволили продвинуться в решении этой проблемы. Их работа по определению функции одного бактериального белка и биохимического пути, в котором он участвует, также поможет определить функции сотен других белков.
Отчёт об этом новом подходе и результатах опубликован в журнале Nature.
Исследовательская группа использовала вычислительные методы в сочетании с широким спектром лабораторных техник, чтобы сузить список возможных малых молекул, взаимодействующих с неизвестным белком — ферментом (теперь известным как HpbD), и определить его роль в организме-хозяине, морской бактерии Pelagibaca bermudensis.
Цель состояла не только в идентификации функции белка, но и в создании нового способа работы с огромным и растущим массивом данных последовательностей, для которых отсутствует функциональная информация, заявил профессор биохимии Университета Иллинойса Джон Герлт, один из пяти со-руководителей исследования.
«В настоящее время количество белков в базе данных белковых последовательностей приближается к 42 миллионам, — сказал Герлт. — Но не более 50% этих белков имеют надёжно определённые функции».
Не зная, что делают все белки, закодированные в геноме, «невозможно понять биологию организма», — отметил Герлт.
Новые усилия являются частью Инициативы по определению функций ферментов (Enzyme Function Initiative, EFI) в Институте геномной биологии в Иллинойсе. Эта инициатива, финансируемая Национальным институтом общих медицинских наук (NIGMS) и возглавляемая Герлтом, призвана решать «сложные проблемы, имеющие центральное значение для биомедицинской науки, но выходящие за рамки возможностей любой отдельной исследовательской группы». EFI фокусируется на ферментах бактериального происхождения.
«Было время, когда я извинялся, что мы сосредоточены на бактериальных, а не на человеческих геномах, — сказал Герлт. — Однако теперь хорошо установлено, что мы не живём в изоляции, у нас есть связанный с нами микробиом, и этот микробиом состоит из тысяч различных видов бактерий, населяющих наши тела. Для нас очень важно понимать, на что способны эти бактерии».
Мэтью Джейкобсон и научный сотрудник Сувэнь Чжао из Калифорнийского университета в Сан-Франциско возглавили вычислительную работу, которая стала ключом к оптимизации процесса открытия белка для группы. Их метод сопоставляет фермент с десятками тысяч возможных метаболических партнёров, чтобы определить, какие молекулы лучше всего подходят друг другу. Поскольку ферменты действуют на другие молекулы для выполнения определённой функции, идентификация мишени фермента (также называемой его субстратом) даёт важную подсказку о его активности.
Этот процесс привёл к идентификации четырёх возможных субстратов (из первоначального списка более 87 000). Чжао передал идентификаторы этих четырёх субстратов и вероятный путь, в котором действует фермент, Герлту и его коллегам (профессору микробиологии Джону Кронану и профессору химии Джонатану Суидлеру, оба из Иллинойса, и Стивену Альмо из Медицинского колледжа Альберта Эйнштейна). Затем началась кропотливая лабораторная работа.
Несколько направлений исследований помогли определить, какой из четырёх субстратов действительно взаимодействует с ферментом, подтвердить функцию фермента и химический путь, в котором он работает.
Исследователи обнаружили, что их фермент катализирует первый этап биохимического пути, который позволяет морской бактерии потреблять один из субстратов, идентифицированных в лаборатории Джейкобсона. Бактерия использует субстрат, известный как tHypB, в качестве источника углерода.
Что более важно, команда обнаружила, что tHypB играет в бактерии другую, возможно, более важную роль: он помогает организму справляться со стрессом жизни в солёной среде, сказал Герлт.
Этот труд по пониманию функции одного фермента даёт каскад других преимуществ, отметил Герлт. Одно большое преимущество этого подхода заключается в том, что он помогает идентифицировать ортологи (ферменты, выполняющие ту же задачу в других организмах).
«В белковой базе данных есть десятки ортологов, идентифицированных Патрицией Бэббитт и её коллегами из UCSF, поэтому мы определили функцию не только одного, но и всех этих ферментов», — сказал он. И поскольку исследователи также определили функции всех ферментов в пути, позволяющем микробу потреблять tHypB, их работа даёт представление о роли ортологичных ферментов в аналогичных путях у других организмов.
Исследователи EFI работают над разработкой стратегий и инструментов, которые другие учёные смогут использовать для достижения аналогичных успехов в открытиях.
«Было время, когда исследователь посвящал всю свою карьеру одному ферменту, — сказал Герлт. — Это было давно, хотя некоторые люди до сих пор так делают. Теперь технология секвенирования генома изменила подход биологов к проблемам. Мы не можем продолжать рассматривать проблемы изолированно».