Исследователи из МФТИ совместно с коллегами из Объединенного института ядерных исследований города Дубны разработали способ получения трехмерной структуры для больших мембранных белковых комплексов методами малоуглового рассеяния. Это позволит лучше понимать их функцию, а значит, контролировать их работу, что является крайне важным при разработке новых лекарственных препаратов.

Полученные исследователями данные о структуре белкового комплекса, типичного для мира бактерий, но не встречающегося у млекопитающих и человека, могут помочь в разработке новых антибиотиков.

Работа опубликована в высокорейтинговом журнале Acta Crystallographica sect. D.

«Органы чувств» бактерий и архей – это двухкомпонентные сигнальные системы. Они обеспечивают ответ на раздражители окружающей среды. Примером двухкомпонентной системы, предназначенной для восприятия археями света, является мембранный белковый комплекс сенсорного родопсина 2 и белка-трансдьюсера. Сенсорный родопсин 2 присутствует в мембране археи Natronomonas pharaonis, он активируется в ответ на синий свет и передает сигнал своему партнеру — белку трансдьюсеру. Трансдьюсер, в свою очередь, с участием еще нескольких белков запускает работу бактериального жгутика, который уводит архею от синего света.

Синий свет в электромагнитном спектре соседствует с ультрафиолетовым, который имеет опасный мутагенный эффект. Активация сенсорного родопсина 2 запускает механизм «убегания» археи от синего и, соответственно, ультрафиолетового света. Сенсорный родопсин 2 с трансдьюсером образуют в мембране клетки крупномасштабный белковый комплекс. Этот комплекс оказался удобным объектом для отработки методик структурных исследований. Эти методики могут быть далее применены ко всевозможным мембранным белкам, в том числе белкам-мишеням лекарственных препаратов, понимание структуры которых крайне важно.

Малоугловое рассеяние — классический метод для получения структурных параметров различных белков. До недавнего времени этот метод применяли только для водорастворимых белков. Мембранные белки гораздо сложнее охарактеризовать малоугловым рассеянием. Обычно методами малоуглового рассеяния получают структуры низкого разрешения, которые позволяют приблизительно понять поведение белков в растворе. Поэтому авторы исследования решили использовать структуры высокого разрешения для частей большого комплекса и добавить к ним данные, полученные малоугловым рассеянием.

Таким образом, ученые соединили части большого комплекса и собрали трехмерную модель белка по частям, как мозаику. Используя метод молекулярного моделирования, они установили взаимную ориентацию частей комплекса относительно друг друга и получили полноразмерную модель белка высокого разрешения. Удивительной оказалась возможность получения структуры высокого разрешения полноразмерного комплекса с помощью методов низкого разрешения, таких как малоугловое рассеяние. Еще более удивительным оказалось то, что вначале такая структура получилась абсолютно неправильной.

В природе встроенные в мембраны белки окружены липидами. При исследовании мембранных белков образцы проходят стадию солюбилизации, в процессе которой мембранную часть белковых комплексов окружают молекулы поверхностно-активных веществ (или детергентов).

«Сформированный таким образом детергентный пояс, с одной стороны, стабилизирует белковые комплексы в растворе, не дает им слипнуться друг с другом и выпасть в осадок. Однако, с другой стороны, он же вносит существенный вклад в картину рассеяния, достаточно сильный для того, чтобы получить совершенно неправильную модель работы белкового комплекса, если не учитывать этот детергентный пояс», — комментирует Юрий Рижиков, сотрудник Центра исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ.

Так и произошло в самом начале этого исследования. Авторы получали неверную модель комплекса в так называемом Y-состоянии, основываясь на предположении о том, что картина малоуглового рентгеновского рассеяния представлена исключительно целевыми белками. Когда ученые учли вклад детергентного пояса и поняли, насколько сильно он повлиял на интерпретацию результатов, это было настолько удивительно, что стало примером по выбору оптимальной стратегии обработки данных малоуглового рассеяния для больших мембранных белковых комплексов.

«Модель высокого разрешения большого мембранного белкового комплекса была получена благодаря совместному использованию мощнейших методов структурных исследований: малоугловому рентгеновскому и нейтронному рассеянию. Сочетание этих методов с методами молекулярного моделирования позволило получить совершенно новую модель высокого разрешения для двухкомпонентного сигнального белкового комплекса», — резюмирует Александр Куклин, руководитель исследования, ведущий научный сотрудник Центра исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ.