Мембранные белки поймали в нанодиски

Заменив «мыло» на липидные нанодиски, биофизики из МФТИ смогли увидеть мембранный белок в природном состоянии.

Любая белковая молекула – это цепочка из аминокислот, которые выстроены в определенном порядке. Их порядок для одного белка один, для другого – другой, и т. д. Однако ни один белок не существует в виде ровной аминокислотной «веревки». Аминокислоты, подчиняясь физико-химическим силам, взаимодействуют между собой, притягиваются и отталкиваются, и в результате белковая молекула сворачивается в сложную трехмерную структуру.

Именно трехмерная структура определяет функции белка – будет ли он расщеплять сахара, или жирные кислоты, или будет связывать какие-то металлы, или будет взаимодействовать с другими белками. Бывает, что функций у белка несколько, но в любом случае он может выполнять свою работу только благодаря трехмерной структуре. И чтобы узнать, как он работает, мы должны эту самую структуру знать во всех деталях.

Можно, с одной стороны, попытаться предсказать пространственную структуру белка по последовательности аминокислот, которую определить достаточно легко. Но предсказательные методы, хотя среди них есть довольно эффективные, часто промахиваются мимо цели. С другой стороны, можно рассмотреть сам свернутый белок. Но для этого его нужно превратить в кристалл, и затем, с помощью рентгеноструктурного анализа и специальных математических методов, мы поймем, как он выглядит. И здесь, уже если мы что-то увидели, то увидели.

Однако проблема в том, как закристаллизовать тот или иной белок. Если речь идет о белках, которые работают в водном растворе, вроде какого-нибудь фермента или глобина, то с ними все относительно просто: в кристалле они сохраняют преимущественно ту же пространственную структуру, что и в растворе (здесь есть некоторые тонкости, связанные с тем, что молекулы белков, вообще говоря, все время как бы «дышат» – их пространственная структура мерцает, но в целом подвижность тех или других частей молекулы можно определить по кристаллической структуре). Такие водорастворимые белки, кстати говоря, в большинстве случаев напоминают очень рельефную «картошку», только глобиновая «картошка» выглядит иначе, чем «картошка» какого-нибудь фермента-протеазы.

Однако существует другой класс чрезвычайно интересных белков, для которых получить кристалл не так-то просто. Речь идет о мембранных белках, а сложность с ними в том, что некоторые части их молекул погружены в липидную мембрану, а некоторые торчат из мембраны в водный раствор. Если вытащить липидную часть в воду, ее пространственная структура изменится, и это уже будет не совсем тот белок, который выполняет свою работу в мембране. А среди таких белков можно назвать рецепторы, с помощью которых клетка узнает, что делается снаружи, и сигнальные белки, которые часто связаны с рецепторными и которые передают сигнал из внешней среды внутрь, и транспортные белки, переправляющие разные вещества в клетку и из нее. Если говорить об их практическом значении, то 70% существующих в продаже лекарств действуют именно на мембранные белки. Словом, очень и очень много в нашей жизни зависит от мембранных белков, а изучать их очень и очень трудно: на данный момент известны структуры всего 3% мембранных белков из семи тысяч.

Один из способов сохранить истинную (или, если говорить более корректно, нативную, природную) структуру мембранного белка – создать для него такую среду, в которой он чувствовал бы себя, как в родной липидной мембране. Для этого используют особые нанодиски, идею которых предложил в 2002 году Стивен Слигар из Иллинойского университета в Урбана-Шампейне: мембранный белок встроен в нанодиск, имитирующий участок клеточной мембраны, а поскольку такой диск не слишком устойчив, его еще стягивают вспомогательным белковым «поясом». (Подобные «поясные» белки используются в нашем организме, чтобы транспортировать «охапки» липидных молекул и холестерина по кровеносным сосудам.)

Работая с мембранным белком, заключенным в нанодиск, можно изучать, как он реагирует на различные вещества. Это проще, чем работать с целой клеткой, по поверхности которой плавает масса разнородных мембранных белков (не говоря уже о том случае, когда мы имеем дело с белками клеточных мембранных органов – митохондрий, эндоплазматической сети и т. д.).

Но если нам нужен кристалл, то все равно перед нами стоит задача вытащить белок наружу из нанодиска. Обычно тут используют детергент, который, действуя, как обычное мыло, растворяет нанодиск, но одновременно стабилизирует сам белок. Однако белок все равно оказывается в ином окружении, все-таки детергент – это не липидные молекулы мембраны и не похожий на нее нанодиск; он как-то видоизменяется, приспосабливаясь к детергенту, так что все равно возникает проблема ненатуральной структуры.

Исследователи из лаборатории перспективных исследований мембранных белков Московского физико-технического института вместе с коллегами из Исследовательского центра Юлих и Института структурной биологии Гренобля нашли способ решить проблему. В своей статье, опубликованной ACS Crystal Growth & Design, они пишут, как можно получить кристаллы мембранного белка, не погружая его в чуждое окружение. Кристаллизация всегда происходит в некоей среде, и от того, из чего эта среда состоит, зависит и качество кристалла, и то, получится ли он вообще.

Обычно, как мы сказали выше, белки кристаллизуют из водного раствора, в котором плавают разнообразные вещества, помогающие белковым молекулам сформировать кристалл. Но в новом методе белки кристаллизовались в липидной среде. Такая среда, во-первых, растворяла нанодиски вокруг белковых молекул, во-вторых, не портила им пространственную структуру – белки соединялись друг с другом в кристалл именно в таком виде, в каком они делают свою работу, сидя в клеточной мембране.

Исследователи проверили свой метод на бактериородопсине (фоточувствительном мембранном белке), структура которого известна – и оказалось, что структурный «портрет», полученный с помощью нового способа кристаллизации, полностью соответствует тому, что мы знали о бактериородопсине раньше. Сама статья оказалась журнальной cover story (т. е. редакция сочла ее лучшей среди всех материалов месяца и поместила иллюстрацию из нее на обложку номера), а нас, возможно, вскоре ожидает целый поток новых сведений о разнообразных мембранных белков, чью структуру и функции удалось расшифровать благодаря этому новому способу кристаллизации.

По материалам пресс-службы МФТИ