Группа учёных из лаборатории перспективных исследований мембранных белков МФТИ, Исследовательского центра Юлих и Института структурной биологии Гренобля разработала метод, позволяющий упростить получение структур белков в естественном состоянии. Авторы впервые получили необходимые для расшифровки структуры кристаллы белка, используя искусственные нанодиски вместо общепринятых «мыльных» веществ для стабилизации белковых молекул в растворе. Исследование, опубликованное в журнале ACS Crystal Growth & Design, позволит получать структуры белков, особенно ценных для разработки лекарств, в их естественном состоянии.

Профессиональное научное сообщество высоко оценило исследование: редакция журнала ACS Crystal Growth & Design выбрала его лучшей работой месяца и поместила иллюстрацию к статье на обложку мартовского печатного номера.

«Правильные» структуры

И для фундаментальных исследований, и для прикладных (например, разработки лекарств или оптогенетики) наиболее интересны мембранные белки: они отвечают, в том числе, за «общение» между клетками, получение сигналов от организма и перенос веществ через клеточную мембрану. Именно на мембранные белки действует более 70% продаваемых в мире лекарств. Получение белковых кристаллов — необходимый шаг на пути к расшифровке точной структуры белков. Знание структуры упрощает разработку лекарств и помогает в понимании фундаментальных процессов. На данный момент учёным известны структуры всего 3% мембранных белков из 7 тысяч, и расшифровка новых по-прежнему важна. Но традиционные методы получения структуры включают в себя неблагоприятные для белков этапы, которые могут портить их структуру, впоследствии давая недостоверную информацию о строении рецепторов в живом организме.

Предложенный биофизиками МФТИ и их коллегами подход направлен в первую очередь на получение функционально активного (т. е. правильного, «рабочего») состояния белковых молекул. Основная идея состоит в том, чтобы работать с белками, встроенными в нанодиски — искусственные участки клеточной оболочки, естественной для мембранных белков. Сами по себе такие участки мембраны нестабильны в растворе, поэтому для надёжности их стягивают особым белковым «поясом», длину которого можно регулировать в зависимости от встроенного в нанодиск мембранного белка. Что удивительно, такой «пояс» является почти полностью естественным для организма человека: с его помощью наши клетки перетаскивают «охапки» липидных молекул и холестерина по кровеносным сосудам. Впервые идея нанодисков была предложена в 2002 году профессором Стивеном Слигаром и с тех пор получила множество приложений, в том числе и в области структурной биологии.

Нанодиски вместо мыла

Обычно подобным образом встроенный белок используют для функциональных исследований, проверяя влияние различных веществ на белковую молекулу. Однако для получения кристаллов, необходимых для расшифровки атомной структуры, белки «вытаскивают» из нанодиска в раствор, окружая «мыльными» молекулами особого вещества — детергента. Молекулы детергента стабилизируют мембранный белок в непривычном для него растворе, однако не являются естественной для него средой и могут влиять на его структуру, не показывая правильно её состояние. Исследователи из МФТИ разработали подход к кристаллизации, для которого при определённом подборе кристаллизационных условий можно использовать белки, встроенные в нанодиски. Нанодиски «растворяются» в среде для кристаллизации, позволяя расти кристаллам белка. Кристаллы, выращенные таким образом,  по качеству не уступают полученным традиционными методами, и при этом молекула белка остаётся в функциональном состоянии.

«Мы надеемся, что такой подход к кристаллизации, изученный в нашей работе на конкретном белке, можно будет обобщить на мембранные белки в целом. Комбинируя стабилизацию в нанодисках с современными методами кристаллизации и функциональными тестами, учёные по всему миру смогут лучше понять взаимосвязь структуры и функции молекул, необходимых для нормальной работы нашего организма», — комментирует исследование Михаил Николаев, первый автор статьи и сотрудник лаборатории перспективных исследований мембранных белков МФТИ.

1. Мембранные белки, живущие в оболочке клетки. 2. Те же белки в нанодисках, стянутые белковым «поясом» фиксированной длины. 3. Белковый кристалл. 4. Молекулярная структура, полученная методом рентгеновской дифракции. Структуру можно использовать для поиска лекарств или внесения полезных мутаций в белок

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (RFMEFI58716X0026).