Белки дрожжей раскрывают секреты устойчивости к засухе

от

Человеческое тело состоит в основном из воды. Если эту воду удалить, клетки организма не смогут выжить, даже когда вода будет снова введена. Но некоторые организмы могут полностью высохнуть и затем вернуться к жизни после регидратации.

Исследование, опубликованное в журнале Cell Systems, объясняет, как организмы могут восстанавливаться после высыхания, в то время как другие терпят неудачу. Для этого учёные изучили белки клеток. В первом исследовании такого рода команда исследователей одновременно проанализировала тысячи белков на их способность выживать при обезвоживании и регидратации.

«Мы выясняем правила, которые делают белок толерантным или нетерпимым к экстремальному водному стрессу, также известному как высыхание», — говорит Шахар Сукеник, ведущий автор и доцент кафедры химии Сиракузского университета.

Лабораторные исследования

Лаборатория Сукеника провела исследование в тесном сотрудничестве с лабораториями под руководством соавторов Стивена Д. Фрида из Университета Джонса Хопкинса и Алекса Хоулхауса из Вашингтонского университета в Сент-Луисе, а также с лабораториями в Университете Вайоминга и Университете Юты.

Исследователи обнаружили, что некоторые белки по своей природе более устойчивы к потере воды, в то время как другие более хрупкие. Команда использовала дрожжи в качестве модельной системы. Они использовали масс-спектрометрию, чтобы определить, как белки выдерживают высыхание и регидратацию. Также они применили инструменты, управляемые искусственным интеллектом, чтобы определить формы, химию и особенности этих белков, раскрыв правила их устойчивости к обезвоживанию.

«Большинство белков теряют более трёх четвертей своих копий после цикла обезвоживания-регидратации», — говорит Сукеник, — «но некоторые белки справляются гораздо лучше, и большая часть их копий выживает в этом процессе».

Белки, которые выжили после потери воды, как правило, были меньшего размера, плотно свёрнуты, имели меньше взаимодействий и отличительную химию поверхности. Одной из ключевых характеристик было высокое количество отрицательных зарядов на поверхности толерантных белков, что, по-видимому, защищает их во время высыхания и после регидратации.

Увеличение устойчивости к обезвоживанию

Затем команда использовала эти химические правила для повышения устойчивости к обезвоживанию у белка. Они сосредоточились на зелёном флуоресцентном белке (ЗФБ), который в своей первоначальной форме не толерантен к обезвоживанию.

Путем введения целевых мутаций исследователям удалось повысить устойчивость ЗФБ к обезвоживанию так, что почти 100% белков оставались активными после регидратации. В настоящее время команда применяет эту стратегию для создания новых, устойчивых к обезвоживанию белков.

Исследование также выявило закономерность в функциях белков, которые выжили, и тех, которые этого не сделали.

«Наиболее устойчивые белки не только имеют специфическую химию поверхности, но и выполняют очень специфические функции», — говорит Сукеник.

Устойчивые к высыханию белки, как правило, отвечают за создание малых молекул — основных строительных блоков клеток.

«Всё начинается с этих малых строительных блоков, которые затем используются для создания более крупных биомолекул, включая другие белки», — говорит Сукеник. «Если в клетке по какой-либо причине заканчиваются эти малые строительные блоки, всё. Клетка застряла. Это как машина, у которой закончился бензин».

Чувствительные к обезвоживанию белки, напротив, обычно участвуют в энергозатратных процессах, таких как создание рибосом, которые являются белковыми фабриками клетки.

Эволюционное преимущество

Клетки дрожжей, по-видимому, получают эволюционное преимущество во время обезвоживания, защищая белки, которые производят их строительные блоки. В то же время они избавляются от белков, которые быстро расходуют эти строительные блоки. Эта дифференциация позволяет клеткам дрожжей медленно возвращаться к оптимальному балансу ресурсов, когда возвращается вода.

«Мы думаем, что эти «продуцирующие» белки эволюционировали, чтобы развить специфическую химию, которая позволяет им регидратироваться, поэтому, когда вода попадает в обезвоженную клетку, они включаются в действие и обогащают окружающую среду строительными блоками, которые они производят», — говорит Сукеник.

Эта работа может изменить нынешние представления о стратегиях выживания биологических организмов. Устойчивость к обезвоживанию может быть не ограничена несколькими выносливыми видами. Вместо этого эта способность может отражать основную «грамматику», заложенную в химии белков, отмечают исследователи. Раскрывая эту «грамматику», команда не только объясняет, как жизнь адаптируется к стрессу, но и использует эти стратегии для создания новых белков.

Исследователи предполагают потенциальное применение в биотехнологии, например, при разработке белков с более длительным сроком хранения в терапевтических и пищевых целях. Белки-терапевтические средства, такие как инсулин или антитела, могут храниться и транспортироваться без охлаждения, что значительно продлевает их срок хранения и упрощает распространение, особенно в районах, где холодное хранение затруднено.

«Во время пандемии COVID-19 были проблемы с доставкой по холодовой цепи, которые затрудняли доступ к вакцинам», — говорит Сукеник. «Но когда ваш продукт обезвожен, вам не нужно его охлаждать. Срок хранения лекарств, продуктов питания или других белковых продуктов может быть увеличен на месяцы или даже годы».

Источник

Другие новости по теме

Другие новости на сайте