211service.com
Å måle formen til proteiner ble akkurat enklere takket være matematikk
Proteinstruktur Analyser av proteinkjerner avslører grunnleggende forskjeller mellom løsning og krystallstrukturer
Proteiner er byggesteinene i livet. De er lange kjeder av aminosyrer som selv settes sammen til molekylære maskiner med ekstraordinær kompleksitet. Disse maskinene inkluderer dataenheter kalt ribosomer, stillasskjeletter kalt mikrotubuli, og benlignende gangmaskiner kalt kinesin, blant mange andre.
Denne selvmonteringsprosessen er et av moderne vitenskaps store vidundere – nesten som om en kjede med legoklosser plutselig skulle settes sammen til en robot. Ingen er helt sikre på hvordan dette skjer, men forskerne vet at formen på den resulterende strukturen bestemmer proteinets funksjon og hvordan det samhandler med andre proteiner.
Så å måle formen til proteiner er en avgjørende oppgave. Den vanligste metoden er å danne krystaller fra proteiner og deretter bruke røntgenkrystallografi for å bestemme proteinstrukturen.
Det er et problem fordi de fleste proteiner ikke danner krystaller. Og selv når de gjør det, kan det hende at proteinmolekylene ikke alle tar samme form når de blir pakket, noe som fører til unøyaktigheter.
En annen teknikk, kalt kjernemagnetisk resonans, lager bilder av proteiner i løsning, men krever at de pakkes tett inn i bunter. Igjen, bare noen få proteiner kan gjøre dette.
Imidlertid kan en liten brøkdel av proteiner avbildes med begge teknikkene. Det er nyttig fordi det lar molekylærbiologer sammenligne strukturene som hver teknikk produserer.
Og det viser seg at strukturene funnet av hver teknikk er forskjellige på betydelige måter. Men det er ikke klart nøyaktig hva som forårsaker forskjellene og hvordan de skal tolkes.
I dag endrer det seg, i det minste delvis, takket være arbeidet til Zhe Mei og kolleger ved Yale University i New Haven. Dette teamet har målt forskjellen i proteinstrukturen bestemt ved røntgenkrystallografi og NMR. Og de har funnet ut hvorfor forskjellen oppstår og hvordan de kan korrigere for den.
Teamet begynte med å kompilere en database med proteiner med strukturer bestemt av begge teknikkene med høy oppløsning. Det viser seg å være en relativt liten liste - bare 16 proteiner passer til regningen.
Forskerne opprettet også en database med røntgenkrystallografiproteinstrukturer bestemt av flere forskjellige grupper ved forskjellige temperaturer. Dette tillot teamet å studere hvordan temperatur påvirker strukturen.
De laget deretter en matematisk modell av måten proteiner pakkes sammen for å danne enten faste krystaller eller bunter i løsning for NMR.
Det viser seg at pakningstettheten nøyaktig kan forklare forskjellen i struktur for begge teknikkene, buntene i løsning har høyere tetthet enn krystaller. Vi identifiserer det fysiske grunnlaget for disse forskjellene ved å modellere proteinkjerner som fastklemte pakninger av aminosyreformede partikler, sier forskerne.
De kan også finjustere sin matematiske modell ved å variere den termiske energien som brukes til å generere pakningene. Faktisk har proteinpakking som ikke er påvirket av temperatur omtrent samme tetthet som strukturer bestemt ved røntgenkrystallografi
Dette antyder at temperatur spiller en viktig rolle i proteinpakkingsstruktur, siden strukturer bestemt ved NMR er tettere. Disse resultatene indikerer at termaliserte systemer kan pakkes tettere enn atermiske systemer, noe som antyder et fysisk grunnlag for de strukturelle forskjellene mellom proteinstrukturer løst ved NMR og røntgenkrystallografi, sier Mei og co.
Temperatur er imidlertid ikke hele historien. Proteiner i krystallstrukturer tvinges til å ta en viss form, og dette reduserer mengden termisk forvrengning molekylet kan gjennomgå.
Så Mei og cos resultat reiser et interessant spørsmål: I hvilken grad er proteinstruktur et resultat av temperatur eller et resultat av krystallpakking?
Det får vente på videre arbeid.
Ref: arxiv.org/abs/1907.08233 : Analyser av proteinkjerner avslører grunnleggende forskjeller mellom løsning og krystallstrukturer