.png)
Ученые Тихоокеанского квантового центра Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) смоделировали, как сворачивается и разворачивается белок со скользящим узлом в зависимости от температуры, в соответствии с законами симметрии. Белок типичен для вирусов архей, древнейших одноклеточных организмов, которые способны выживать в экстремальных условиях подводных вулканических источников. Результаты работы опубликовали в PLOS ONE.
«Узловая структура белков делает их более стабильными и позволяет вирусам вместе с археями выдерживать высокие температуры. С другой стороны, присутствие узла делает процесс сворачивания белка нетривиальным, потому что простые случайные движения отдельных частей белкового скелета не могут свернуть белок в правильную трехмерную структуру. Многие исследования, проведенные до этого методами молекулярной динамики, показали, что вероятность образования такого узла очень мала, однако в природе этот белок всегда образует скользящий узел», — говорит доктор физико-математических наук, руководитель Тихоокеанского квантового центра ДВФУ, профессор Александр Молочков.
Механизм, по которому белки сворачиваются и разворачиваются (фолдинг/анфолдинг), — ключ к лечению многих тяжелых заболеваний, в том числе онкологии. Используя численные методы и применив нетипичную для изучения белков квантовую теорию поля, ученые исследовали топологию (схему) сворачивания белка AFV3-109, получив сразу несколько неожиданных интересных результатов, полезных при будущих исследованиях.
Во-первых, выяснилось, что скользящий узел белка AFV3-109 проходит через промежуточный узел, который имеет топологию гораздо более сложного и плотного узла-трилистника — пример простейшего нетривиального узла в математике.
Во-вторых, перед тем, как образуется скользящий узел, возникает набухание уже практически правильно свернутой структуры AFV3-109 так, чтобы свободный конец белка смог пройти в петлю узла.
В-третьих, правильная структура белка формируется поэтапно. Сначала образуются стабильные вторичные структуры — нити и спирали, которые потом свертываются в правильный узел.
Чтобы длинная молекула белка AFV3-109 сама завязалась в узел, необходимо согласованное коллективное поведения молекулы как одного целого. Возникает ощущение, что кто-то целенаправленно завязывает молекулу в узел. Такое поведение делает белок очень важным объектом для исследования. Недавнее достижение в предсказании структуры белка методами машинного обучения (DeepMind) всё же не раскрывает природы образования этой узловой структуры.
«Мы исследуем законы симметрии, которые лежат в основе целенаправленного поведения белковой молекулы. Нам удалось выяснить, что нетривиальная форма белка и происходящие в нем сложные процессы полностью определяются свойствами локальной калибровочной и киральной симметрии, — говорит Александр Молочков. — Это еще раз подтверждает, что каждый участок белка критически важен для правильной работы всей молекулы. Это также означает, что наш метод, основанный на теории поля, подходит для моделирования поведения белков, основы всего живого».
Согласно классической теории поля, движение каждого отдельного атома может быть истолковано как часть общей степени свободы (солитона) с определённым количеством общих координат. Примером солитона служит волна цунами с ее разрушительной мощью.
Белок в данном случае походит поведением на цунами. Если какой-то фрагмент белка убрать или деактивировать, вся молекула перестанет работать правильно. Задача ученых понять — какой именно участок убрать. Это станет ключом к пониманию многих болезней, спровоцированных неправильным поведением белков — в их числе онкология, диабет второго типа, синдром инфекционного слабоумия, оболочечные вирусы, включая новый коронавирус, Эбола, и СПИД.
Ранее исследователи ДВФУ смоделировали поведение WW-домена белка FBP28, выяснив, каким образом замена отдельных аминокислот приводит к перестройке всей структуры белка и изменениям конкретных аминокислот в определенных местах молекулярных цепочек.
Впервые теорию поля ученые ДВФУ применили, чтобы предсказать изменения в структуре белка миоглобина, зависящие от температуры и кислотности среды.
Направление «Науки о жизни», связанное с развитием исследований и разработок в области биомедицины, биотехнологий и фармацевтики, определено в Дальневосточном федеральном университете как одно из приоритетных и сфокусировано на изучении фундаментальных основ заболеваний и моделировании их молекулярных механизмов, создании новых лекарственных средств, препаратов и технологий геномной и регенеративной медицины. Развитие научных проектов в области приоритетного направления «Науки о жизни» обеспечивается формированием в университете медицинского кластера, который включает в себя медицинский центр университета.
Пресс-служба ДВФУ,
press@dvfu.ru