Как белок меняет форму: новый метод видит это в реальном времени
Белки в организме не статичны — они постоянно изгибаются, разворачиваются и переключаются между формами. Эти движения управляют переносом лекарств, связыванием молекул и биологическими процессами. Наблюдать за ними напрямую, особенно за одним белком в жидкости, до сих пор было почти невозможно. Исследователи из Университета Твенте разработали оптический метод, который отслеживает изменения формы одиночного белка без прикрепления к нему меток. Об этом пишет издание Phys.org.
Метод основан на рамановской спектроскопии — каждая молекула вибрирует характерным образом, и по этим колебаниям можно определить её структуру. Сигнал от одного белка обычно слишком слаб, но учёные решили эту проблему с помощью метаповерхности — слоя плотно упакованных золотых наночастиц на золотой плёнке. Когда свет попадает на поверхность, он концентрируется в крошечных областях с интенсивным электромагнитным полем. Белок, проходящий через такую область, даёт сигнал, усиленный в 10 миллионов раз.
По этому сигналу исследователи смогли определить вторичную структуру белка и различить α-спирали, β-листы, β-повороты и неупорядоченные участки. Белку не нужна флуоресцентная метка или механическое закрепление, поэтому его естественное поведение сохраняется. Метод протестировали на бычьем сывороточном альбумине — модели человеческого сывороточного альбумина, главного транспортного белка крови, который переносит жирные кислоты, гормоны и многие лекарства.
Измерения проводились по одному белку, что позволило выйти за рамки усреднённых структур. Команда построила карты свободной энергии, показывающие, какие формы белок принимает чаще всего, а какие — реже, но всё же возможны. Также были нанесены маршруты переходов между формами. Основные переходы происходили между α-спиралью и β-листом, а также между α-спиралью и неупорядоченной структурой.
«Наш метод даёт доступ к динамическому поведению отдельных белков в условиях, близких к физиологическим, — говорит Феми Оджамбати, руководитель работы. — Это важно, потому что о функции белка можно узнать больше из энергетического ландшафта и путей между структурами». Затем команда проверила, как химическое окружение влияет на форму белка. Они добавили на метаповерхность метильные, карбоксилатные и аминные группы, распространённые в биологических и фармацевтических молекулах, и меняли pH раствора от кислого до нейтрального и щелочного.
Электростатические силы оказались решающими. При нейтральном pH обычно преобладает нативная α-спиральная форма. В других условиях белок смещается к β-листу или неупорядоченной структуре. Окружение, а не только последовательность, определяет, какую форму примет белок. Новая техника может пролить свет на сворачивание, неправильное сворачивание и агрегацию белков — процессы, связанные с болезнями Альцгеймера, Паркинсона и диабетом 2 типа. Исследователи видят в этой платформе шаг к безметочной одно-белковой биофизике в реалистичных жидких средах. Улучшенные конструкции метаповерхностей позволят фиксировать ещё более быстрые изменения и расширить подход на более крупные биомолекулы, включая нуклеиновые кислоты, углеводы и белковые комплексы.
