Сахар является жизненно важным источником энергии как для растений, так и для животных.
Понимание того, как сахар попадает в клетку, может привести к разработке лучших лекарств для больных диабетом и увеличению количества фруктов и овощей, которые фермеры могут выращивать. Исследователи из Стэнфордского университета недавно открыли один из таких «путей» в клетку, соединив вместе белки, ширина которых немного превышает диаметр нити паучьего шелка.
Чтобы определить размер, форму и ориентацию одного из новейших (и самых маленьких) из этих белков, переносчика сахара, исследователи обратились к Северо-восточной группе совместного доступа (NE-CAT) и Общему медицинскому и Исследовательский центр структурной биологии (GM/CA) Института рака в Усовершенствованном источнике фотонов в Университете США. С. Аргоннская национальная лаборатория Министерства энергетики.
Эти транспортеры, называемые SWEET, представляют собой белки, которые действуют как пути для молекул сахара, пересекающих клеточную мембрану, где они могут использоваться в качестве энергии для питания клетки. Они существуют во всем, от бактерий до растений и животных, хотя их функциональность может различаться для каждого вида.
Сахар, которым вы посыпаете хлопья для завтрака по утрам, никогда не пройдет ни по одному из этих путей. Сахара, проходящие через SWEET, имеют размер молекулы, невидимой невооруженным глазом.
Как ворота канала и система шлюзов для лодок, SWEET позволяют молекулам сахара проходить по этому пути, закрывая одни ворота и открывая другие, в три разных этапа.
«Это первый раз, когда мы смогли увидеть структуру транспортера и начать понимать механизм его функционирования», - сказал исследователь из Стэнфордского университета Лян Фэн. «Механизм резко меняет форму, чтобы молекулы перемещались между внешней и внутренней частью клетки."
Предыдущие исследования показали, что SWEET переносят молекулы сахара, но до сих пор исследователи не знали, как транспортер выполняет свою работу. Чтобы обнаружить это, им пришлось собирать структуру по частям, атом за атомом.
Линии луча в NE-CAT и GM/CA, расположенные в APS, используют мощные рентгеновские лучи для определения трехмерной структуры сложных биологических структур, от ДНК до вирусов и белков в наномасштабе. Все это должно быть преобразовано в кристаллическую форму, прежде чем попасть под рентгеновские лучи.
«Мы помогаем ученым «разгадывать их структуры», предоставляя специализированное оборудование и поддержку», - говорит штатный научный сотрудник NE-CAT и макромолекулярный кристаллограф Кей Перри. «Иногда кристаллы очень маленькие, или есть проблема с качеством, или, может быть, кристаллы растут поверх других кристаллов - у исследователей возникает куча разных проблем, но их решение - наша специальность».
APS вращает электроны со скоростью, близкой к скорости света, по кольцу с помощью мощных магнитов. Работая совместно с APS, NE-CAT и GM/CA принимают рентгеновские лучи высокой интенсивности, генерируемые этими магнитами, и фокусируют их через ряд зеркал в микропучок. Специализированное оборудование на этих каналах позволяет ученым исследовать очень маленькие образцы микрометрового размера, подобные тем, которые выращены в лаборатории Фэна.
«У APS один из самых ярких лучей в мире, что позволяет создавать изображения чрезвычайно высокого разрешения», - сказал Перри. «Это сработало очень хорошо, потому что Лян хочет увидеть отдельные связи между атомами, и мы смогли сделать это для него».
В сотрудничестве с Вольфом Фроммером, директором отдела биологии растений Института науки Карнеги, группа Фенга успешно захватила SWEET в двух разных формах. Теперь они вдвоем надеются захватить еще больше и глубже понять механизмы, с помощью которых эти сложные машины функционируют на атомном уровне.
«Сахар является таким важным источником энергии для организмов, от мельчайших бактерий до растений и людей», - сказал Фэн.«Это исследование потенциально может привести нас к ряду приложений, от повышения продуктивности растений до понимания того, как животные усваивают сахар. Это только первые шаги».