Учёные раскрывают новые закономерности поведения белков в клеточных мембранах

от

Белки клеточной мембраны играют множество важных ролей в организме, включая транспортировку веществ внутрь клетки и наружу, передачу сигналов, ускорение реакций и помощь в соединении соседних клеток. Нарушения в их работе могут привести к серьёзным заболеваниям, включая рак, что делает их привлекательными мишенями для лекарств. Однако понимание того, как эти белки ведут себя и функционируют, может быть сложной задачей из-за их положения в клеточной липидной мембране — плотно упакованном двойном слое жироподобных молекул, который затрудняет их изучение.

Теперь учёные из Scripps Research разработали новую компьютерную стратегию для понимания работы этих белков на атомном уровне. Опубликованное 7 октября 2025 года в PNAS исследование описывает, как команда создала синтетические мембранные белки, которые легче изучать в лаборатории, а также выявила структурные основы того, как некоторые из них сохраняют свою форму.

«Миллиарды и миллиарды долларов в год вкладываются в создание молекул, нацеленных на мембранные белки, чтобы изменить их поведение и бороться с болезнями. Но чтобы модулировать эти белки, сначала нужно понять, как они работают», — говорит старший автор Марко Мравич, доцент кафедры интегративной структурной и вычислительной биологии в Scripps Research. «Наше исследование выявило новые правила последовательности и атомного расположения внутри мембранных белков, которые необходимы для их функционирования».

Мембранные белки состоят из множества спиралей, которые плотно скручены и упакованы вместе, подобно маленьким переплетённым нитям в верёвке. Чтобы поддерживать свою сложную архитектуру и правильно функционировать, разные части белка должны связываться друг с другом более прочно, чем с липидной мембраной, в которой они находятся.

Команда Мравича хотела понять роль общего паттерна или «мотива», который встречается во многих различных типах мембранных белков: небольшой аминокислоте, которая повторяется каждые семь аминокислот в белковых цепях, когда они пересекают липидную мембрану клетки. Этот паттерн означает, что эти небольшие аминокислоты присутствуют в одном и том же положении на каждом втором повороте данной спирали.

Учёные предположили, что эти мотивы представляют собой потенциальные «липкие» участки, которые помогают спиралям мембранных белков связываться друг с другом и организовываться в складках мембраны. Чтобы понять, почему этот мотив так консервативен и как атомы создают стабильность, исследователи использовали компьютерную программу для создания идеализированных версий мотива для изучения в лаборатории.

«Обычно очень сложно изучить, как мембранные белки ведут себя в нашем организме, потому что, как только мы извлекаем их из клетки, они хотят развалиться», — говорит Мравич. «Наш подход уникален тем, что мы разрабатываем новые синтетические белки с нуля с помощью компьютерных программ, чтобы аппроксимировать поведение и атомные структуры мембранных белков в природе. Мы можем использовать эти дизайнерские белки в качестве моделей, чтобы задавать вопросы и прояснять правила, лежащие в основе многих сложных процессов, происходящих в клеточных мембранах, которые мы не могли бы увидеть или изучить иным образом».

Первый автор Киана Голден разработала программу для идентификации последовательностей аминокислот, содержащих этот мотив, и использовала эту информацию для создания оптимизированных синтетических мембранных белков с повышенной стабильностью. Когда исследователи произвели эти синтетические белки в лаборатории, они свернулись, как и было предсказано, подтверждая гипотезу о том, что эти мотивы создают «липкие пятна» между соседними спиралями, которые удерживают мембранные белки вместе в липидах.

Аналогично Голден показала, что, когда мотивам были даны наиболее оптимальные последовательности, это привело к синтезу белков, которые были чрезвычайно стабильны — и даже оставались неповреждёнными в кипящих условиях.

«Мы обнаружили, что стабильность мотива обусловлена необычным типом водородной связи, который обычно очень слаб, но когда мотив повторяется, эти слабые водородные связи складываются и создают очень стабильное взаимодействие», — говорит Голден, которая работала над проектом в качестве студента бакалавриата UCSD, а теперь является аспиранткой Принстонского университета. «Этот тип водородной связи редок в природе, поэтому было действительно удивительно, что именно это в значительной степени определяет возникновение мотива, и что биология эволюционировала, чтобы использовать его в рамках определённых мотивов и структур в природе».

Теперь, когда они показали, как этот мотив способствует структуре мембранных белков, исследователи говорят, что эта информация поможет учёным и врачам выявлять и понимать генетические мутации, которые могут способствовать развитию заболеваний. Поскольку их команда доказала, что их новое программное обеспечение может точно создавать очень прочные белковые комплексы в липидах, они сейчас работают над созданием молекул для прямого воздействия на мембранные белки внутри клетки.

«Наш подход значительно ускоряет то, что мы можем узнать о внутренней работе мембранных белков и о том, как создавать более эффективные методы лечения», — говорит Мравич.

В дополнение к Мравичу и Голден авторами исследования «Принципы проектирования общего блока мембранных белков Gly-X6-Gly» являются Каталина Аварвари, Чарли Т. Андерсон, Мэттью Холкомб, Вэйи Тан, Сяопин Дай Минхао Чжан, Коллин А. Мэйли, Бриттани Б. Санчес, Джейсон С. Чен и Стефано Форли из Scripps Research.

Предоставлено Институтом Скриппса.

Источник

Другие новости по теме

Другие новости на сайте