АНАХЕЙМ, Калифорния. Один из простейших живых организмов - фотосинтезирующая бактерия, живущая в иле, - помогает ученым раскрыть сложную структурную структуру, возникающую, когда белки объединяются для выполнения важных биологических функций.
Такое знание, говорит Клаус Шультен из Университета Иллинойса, может пролить свет на то, что происходит, когда белки агрегируют (соединяются и организуются) в нужное время и когда они делают это в неподходящее время, как в случае с заболевания центральной нервной системы, такие как болезнь Альцгеймера и губчатая энцефалопатия крупного рогатого скота (коровье бешенство).
Выступая на ежегодном собрании Американской ассоциации содействия развитию науки, Шультен рассказал, как его группа теоретической биофизики в Университете США. Института передовых наук и технологий им. И. Бекмана объединил рентгеновскую кристаллографию и компьютерное моделирование для определения структуры белка, называемого двумя светособирающими комплексами, в пурпурных бактериях Rhodobacter sphaeroides. Белок представляет собой совокупность восьми независимых, но идентичных единиц, образующих высокосимметричное кольцо. Подобный белок образует кольцо из 16 единиц и окружает реакционный центр фотосинтеза бактерии.
Весь ансамбль содержит сотни хлорофиллов, а также каротиноидов, оба из которых являются светопоглощающими соединениями, которые служат для сбора солнечного света и направления его энергии в расположенный в центре реакционный центр.
Шультен, заведующий кафедрой физики Университета им. И. Сванлунда, его коллеги из Института Бекмана и сотрудники Института биохимии Макса Планка во Франкфурте, Германия, впервые опубликовали свои трехмерные визуализации в майском номере 1996 года. журнала Структура. Последующие достижения, в том числе создание красочной физической модели фотосинтетического центра на основе компьютерной модели, были опубликованы в журналах по физике и биологии, а также в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Используя свою ручную модель с цветовой кодировкой, Шультен описал, как компоненты помещаются внутри кольца: 24 хлорофилла (которые делают растения зелеными); восемь каротиноидов (которые делают помидоры красными); и восемь независимых пептидных единиц. Все они собираются и организуются в белковую мембрану и передают энергию для метаболизма бактерий.
Иметь точную модель сооружения, по словам Шультена, «все равно что иметь Розеттский камень [табличка с надписями, найденная в 1799 году, которая привела к расшифровке древнеегипетской письменности]; она дает нам ключ к ответу на вопросы об основных физических компонентах, которые участвуют в сборке и функционировании не только пурпурных бактерий, но и светособирающих комплексов более сложных растений».
«Это отличный пример того, как можно концептуально применить физику к биологии для решения молекулярных загадок», - сказал он. «С помощью этой модели я могу показать, как природа сформировала определенный класс белков, чтобы превратить их в устройство, обладающее уникальной эффективностью в поглощении солнечных фотонов, сохранении этой энергии и транспортировке ее в определенные точки, где другие белки берут на себя энергию. и использовать его. Это дает нам хороший пример особенностей живых систем. Есть части, которые могут самоорганизовываться в очень сложные структуры, и эта способность очень ярко выражена в органических системах».
Его модель основана на одной из самых маленьких систем жизни. Пурпурные бактерии живут в иле под поверхностными растениями. Они мусорщики, питающиеся частицами или фотонами солнечного света, которые не востребованы растениями. На самом деле, сказал Шультен, они «питаются» только двумя типами фотонов - один с длиной волны 500 нанометров и другой с длиной волны 800 нм - которые поглощаются, соответственно, каротиноидами и хлорофиллами бактерий. Каротиноиды также служат телохранителями хлорофиллов и защищают их от кислорода.
«Обычно, когда вы моделируете что-то на компьютере, вы не уверены, что то, что вы делаете, - это реальность, а не просто виртуальная реальность», - сказал Шультен. «Но имея достаточно биологических данных, вы можете быть уверены, что моделируете правильно. В нашем случае данные без моделирования не могли быть интерпретированы, но с моделированием мы смогли завершить четкую и правильную структуру светособирающего белка».
Модель Шультена демонстрирует «прекрасную способность жизни организовывать себя в составные части и делать это спонтанно, без присутствия чего-то извне, чтобы соединить все части воедино».
"Это происходит спонтанно", - сказал он. «Но, с другой стороны, то, что прекрасно работает, также может пойти не так, и когда это произойдет, вы можете сильно пострадать.
"Такая нежелательная сборка белков может происходить, когда различные компоненты находятся не в полном порядке. Они по-прежнему будут агрегировать и образовывать, возможно, красивые структуры, но они могут быть очень вредными. Мы очень хорошо знаем некоторые из возникающих в результате болезней, - сказал Шультен. «Одна из них - болезнь Альцгеймера, при которой определенные белки образуют бляшки в мозгу. Другая - коровье бешенство, когда белок агрегирует в неподходящее время и вызывает цепную реакцию других белков, присоединяющихся к агрегату."
Шультен сказал ученым из AAAS, что его модель белка показывает, как «природа использует очень неправильные формы для создания чего-то прекрасного». Но он сказал: «Я не говорю, что с помощью этой модели мы можем вылечить болезнь Альцгеймера. Есть много шагов в понимании различных биологических систем. Эта модель показывает структуру белка в одной из самых чистых и простых систем. чтобы научить нас силам адгезии, которые управляют самосборкой, и тому, как некоторые лекарства могут влиять на то, когда сборка начинается в неподходящее время».