Учёные создали модели белков для изучения образования токсичной метилртути
Команда под руководством Национальной лаборатории Ок-Ридж Министерства энергетики США создала вычислительную модель белков, ответственных за превращение ртути в токсичную метилртуть. Это шаг вперёд в понимании механизма реакции и круговорота ртути в окружающей среде.
Метилртуть — мощный нейротоксин, образующийся в природе при превращении неорганической ртути в более токсичную органическую форму микроорганизмами. В 2013 году учёные ORNL совершили ключевое открытие: они идентифицировали пару генов, hgcA и hgcB, ответственных за метилирование ртути.
Эти гены кодируют белки HgcA и HgcB, структуру и функцию которых учёные стремятся понять лучше.
Вычислительное моделирование вместо эксперимента
Определение структуры этих белков экспериментально затруднено по нескольким причинам:
- Они продуцируются анаэробными микроорганизмами и крайне чувствительны к кислороду.
- Они экспрессируются в клетках на очень низком уровне и едва обнаруживаются обычными методами.
- HgcA встроен в клеточную мембрану, что усложняет его изучение по сравнению с растворимыми белками.
- Оба белка имеют сложные кофакторы — вещества, связывающиеся с белками и необходимые для их функции.
«У нас ещё нет экспериментальной структуры этих белков, поэтому лучшее, что мы можем сделать, — использовать вычислительные методы для предсказания их структуры», — пояснил руководитель исследования Джерри Паркс.
Модель была создана с использованием:
- Большого набора данных последовательностей белков HgcA и HgcB из различных микроорганизмов.
- Высокопроизводительных вычислительных ресурсов и биоинформатики ORNL.
- Методов структурного моделирования (опубликовано в Communications Biology).
Результатом стала 3D-структурная модель белкового комплекса HgcAB с кофакторами. Эта модель позволит учёным строить новые гипотезы о биохимическом механизме метилирования ртути и проверять их экспериментально.
Метод и ключевые находки
Учёные применили метод, основанный на анализе коэволюции аминокислот. Идея в том, что скоординированные изменения в парах аминокислот указывают на их близость в трёхмерной структуре белка. Эти данные используются для вычислительного «сворачивания» белка.
Анализ последовательностей из базы данных Объединённого института генома DOE (JGI) принёс неожиданные результаты:
- Два домена белка HgcA не взаимодействуют друг с другом, но оба взаимодействуют с белком HgcB.
- Модель предполагает, что консервативные аминокислоты цистеина в HgcB, вероятно, участвуют в переносе некоторых форм ртути или метилртути к HgcA во время реакции.
- Некоторые черты этих белков схожи с другими, лучше изученными, но другие уникальны и ранее не наблюдались.
Будущие исследования и значение работы
Дальнейшая работа включает экспериментальную проверку. Группа Стивена Рэгсдейла в Мичиганском университете разрабатывает метод производства белков HgcA и HgcB в бактериях E. coli в количествах, достаточных для изучения в лаборатории с помощью спектроскопии и рентгеновской кристаллографии.
Помимо углубления понимания метилирования ртути, проект создаёт в ORNL новую возможность для изучения структуры и функции других микробных белков. Учёные особенно заинтересованы в характеристике белков из «микробной тёмной материи» — микроорганизмов, которые не культивируются в лаборатории и трудно поддаются изучению.
«Мы всё ещё очень мало знаем о необычных белках, производимых микроорганизмами. Эта техника позволяет нам начать характеризовать эти сложные, загадочные биологические системы», — отметил Паркс.