Все живые клетки содержат белки, которые необходимы для поддержания функций организма. Белки состоят в основном из аминокислот и в качестве катализаторов (ферментов) активируют биохимические реакции, которые в противном случае не имели бы места. Ферменты контролируют, например, пищеварение и иммунную систему. «Тип биохимических реакций и то, как они протекают, зависят от структуры белков», – говорит проф.
Доктор. Олав Шиманн из Института физической и теоретической химии Боннского университета. Белки не жесткие, но могут изменять свою форму с помощью подвижных "петель"."Это взаимодействие между структурой и динамикой определяет, что происходит. Фермент и трансформируемое вещество должны соответствовать друг другу, как ключ и замок, чтобы катализировать определенный процесс.
YopO закреплен в мембране и поэтому особенно стабилен
В своих исследованиях ученые использовали протеин возбудителей чумы (иерсинии).
Они обманывают иммунную систему, вводя такие белки, как YopO (внешний белок O Yersinia), в атакующие макрофаги. YopO связывается с актином защищающих клеток, в результате чего иммунные клетки больше не могут обволакивать и переваривать патогены. «Мы использовали YopO, потому что этот фермент представляет интерес с медицинской точки зрения и может быть закреплен или иммобилизован в мембране», – объясняет Шиманн. «Последнее является важной предпосылкой для наших измерений при комнатной температуре."
Нико Флек из исследовательской группы Шиманна разработал для этой цели спиновые метки, которые были специально адаптированы для исследований внутри клетки.
Это крошечные «флажки», которые участник команды Caspar A. Heubach прикреплен к разным позициям белка. Используя метод DQC (Double Quantum Coherence), который работает как линейка на молекулярном уровне, член команды Тобиас Хетт затем измерил расстояния между флажками. «Если мы знаем расстояния между спиновыми метками, мы можем сделать вывод, какие структуры может принимать определенный фермент», – говорит Хетт.
Это работает как «спутниковая навигация» для молекул; в конце концов, система наведения для транспортных средств также основана на измерениях расстояния.
Исследователи применили метод DQC к YopO в пробирке и, для сравнения, в яйцах африканской когтистой лягушки, которые часто используются в качестве модельных организмов в науке.
Для измерений в ячейке YopO, помеченный флажками, вводился в яйца с помощью шприца, «очень похоже на то, как болезнетворные микроорганизмы чумы действуют на молекулярном уровне», – объясняет Нико Флек. Это показало, что YopO может захватывать большее количество различных структур в водном растворе в пробирке, чем в яйцах. «YopO структурно более подвижен в пробирке, чем в живых клетках», – говорит Шиманн. "В клетках такие структуры, как мембраны, и взаимодействие с другими белками уменьшают структурное разнообразие YopO."
Основополагающий принцип
Это открытие относится не только к YopO, но и является фундаментальным принципом: в пробирке нет «корсета», налагаемого другими клеточными структурами, возможности развертывания ферментов больше. Исследователи считают, что это имеет последствия для всех исследований биомолекул. «Исследования изолированных биомолекул, безусловно, необходимы. Однако для получения полной картины такие структуры и динамику следует изучать в максимально естественных условиях », – говорит Шиманн.
Каспар Хойбах добавляет: «Если результаты исследования относятся к биомолекулярным процессам в клетках, следует, как в этом случае, также исследовать структуру и динамику белков в живых клетках."
Поскольку белки контролируют различные клеточные процессы, они также являются центром поиска новых методов лечения. Поэтому исследователи уверены, что результаты, представленные исследовательской группой Боннского университета, также представляют потенциальный интерес для фармацевтических исследований. «Взаимодействия в клетке важны для структуры и динамики белков», – говорит Шиманн. "Поэтому имеет значение, как определяется структура ферментов при поиске активных веществ."