Биологи показали универсальность метода «йодного фазирования»

Ученые из международного коллектива с участием сотрудников МФТИ показали, что давно известный метод «йодного фазирования» в структурной биологии оказывается универсальным, если нужно определить структуру живущего в клеточной мембране белка. Это дает гарантию на успех работы метода в случае новых структур и обеспечивает быстрое определение структур, важных для ускоренной и дешевой разработки лекарств компьютерными методами. Исследование опубликовано в журнале Science Advances.

Чтобы поддерживать внутри себя постоянные условия, клетки должны внимательно наблюдать за изменениями внешней среды и своевременно реагировать на них. Для этого в геноме каждой клетки каждого организма закодированы сотни особых белков, встраивающихся в клеточную мембрану (и поэтому называющихся мембранными) и отвечающих за «общение» клетки с окружающим миром. Кроме того, такие белки могут переносить внутрь клетки химические вещества, которые не пропускает клеточная мембрана, но которые необходимы клетке для питания или проведения биохимических реакций. Увидеть основы работы белков и смоделировать их поведение, основываясь на законах физики, позволяет основной метод структурной биологии, кристаллография.

Вся кристаллография основывается на дифракции. Для измерения дифракционного сигнала на кристаллы белковых молекул воздействуют рентгеновским излучением. При этом за счет того, что молекулы в кристалле хорошо упорядочены, сигнал многократно усиливается в определенных направлениях рассеяния, позволяя «засечь» его на фоне шума. Однако при этом во всех направлениях записывается лишь усредненный сигнал и теряются так называемые фазы. Они содержат информацию о том, насколько сигналы запаздывают друг относительно друга, и необходимы для определения структуры молекулы по данным дифракции. Потеря фаз немного похожа на то, как теряет свою ценность изображение при обесцвечивании: остается только «насыщенность» каждой отдельной точки, но детали о цвете теряются, не позволяя восстановить большую часть информации.

На данный момент разнообразие решенных структур часто позволяет подбирать фазы компьютерными методами: сначала начальные фазы подбираются на основе какой-нибудь уже решенной структуры, а затем уточняются вручную. Однако этот подход часто не приводит к успеху, особенно в случае данных низкого разрешения, типичных для мембранных белков, или абсолютно новых структур, не похожих ни на одну из предыдущих. В таких случаях фазы находят экспериментально, используя так называемую аномальную дифракцию — особую несимметричность дифракционных сигналов, испускаемых тяжелыми химическими элементами (йод, гадолиний, бром или даже сера). Для того чтобы этот метод сработал, эти элементы должны сильно связываться с молекулами белка в кристалле, дабы быть так же хорошо упорядоченными и давать сильный дифракционный сигнал. Часто подбор правильного элемента требует много времени и тратит много ценных белковых кристаллов.

Исследователи показали, что метод гарантированно сработает в случае взаимодействия мембранных белков и ионов йода в растворе. Это связано с характерной особенностью всех мембранных белков в природе. Они устроены так, что на границе «мембрана – раствор» все белки несут положительный заряд, который компенсирует отрицательно заряженную поверхность мембраны. Йод сильно взаимодействует с этими зарядами и «садится» на белок в совершенно определенных местах, гарантируя успех экспериментального поиска фаз.

«В своей работе мы показали успешное решение структуры четырех уже известных белков из разных организмов: светочувствительной натриевой помпы из морской бактерии Krokinobacter eikastus, мембранного белка из кишечной палочки, аденозинового рецептора человека и протонной помпы из морской бактерии Marine Actinobacterial Clade. Все четыре структуры показали, что ионы йода действительно связываются с положительно заряженными аминокислотами в тех местах, где белок входит в мембрану. По сравнению с бромом, который иногда используют для решения фазовой проблемы, йод надежнее связывается с белком и гарантирует решение фазовой проблемы», — рассказал первый автор исследования, сотрудник Европейского центра синхротронной радиации Игорь Мельников.