Созданы пороподобные белки с нуля
Учёные впервые создали новые белки, которые принимают одну из самых сложных структур в молекулярной биологии — трансмембранный бета-баррель. Дизайнерские белки спонтанно сворачивались в запланированные структуры и встраивались в липидные мембраны. Исследование, опубликованное в журнале Science, открывает путь к созданию наноразмерных инструментов для фильтрации и секвенирования ДНК.
«Учёные по всему миру уже используют белковые нанопоры для секвенирования генетического материала коронавируса и поиска мутантных штаммов, — говорит ведущий автор Анастасия Воробьёва. — Мы хотели спроектировать новые нанопорные белки полностью с нуля, которые могли бы стать основой для будущих применений, включая улучшенное секвенирование ДНК».
Бактерии защищены внешней мембраной. Белки, встроенные в неё, облегчают транспорт веществ в клетку и из неё. Такие природные белковые поры имеют общую наноструктуру: плоский лист белка сворачивается в бочкообразную форму (баррель), через которую могут проходить молекулы, включая нити ДНК.
Для создания новых трансмембранных бета-баррелей Воробьёва и коллеги использовали программное обеспечение для молекулярного дизайна. Хотя они черпали вдохновение в природных белках, полученные аминокислотные последовательности не имеют аналогов в живой природе. Наиболее успешные дизайнерские белки содержат восемь лентообразных нитей, которые складываются в компактную бочкообразную структуру высотой всего три нанометра.
Исследователи из лаборатории Шины Радфорд в Университете Лидса (Англия) проверили, могут ли улучшенные версии белков встраиваться в искусственные липидные мембраны. Оказалось, что они делают это эффективно и без помощи вспомогательных белков, что резко контрастирует со сворачиванием природных трансмембранных бета-баррелей.
«Эти спроектированные белки интересны с фундаментальной точки зрения, поскольку у них нет эволюционной истории, — говорит Радфорд. — Изучая их, мы можем обнаружить ключевые особенности, позволяющие таким белкам сворачиваться в мембране».
Структура новых баррелей была подтверждена методом ядерного магнитного резонанса (NMR) в лаборатории Лукаса Тамма в Университете Вирджинии.
Эта работа — новое достижение в быстро развивающейся области белкового дизайна. В последние годы учёные создали инновационные вакцины, экспериментальные методы лечения рака и сенсоры для обнаружения антител к COVID-19. Способность создавать белки с нуля с новыми функциями важна для диагностики и лечения болезней, а также для развития материаловедения.
Статья «De novo design of transmembrane beta-barrels» опубликована в выпуске Science от 19 февраля.