Поиск точной, сложенной трехмерной структуры белка может быть похож на путь через джунгли без карты: длительный, интенсивный процесс с неопределенным направлением. Исследователи Иллинойского университета разработали новый подход, получивший название КОМПАС, который напрямую указывает на вероятную структуру белка, используя комбинацию передовых методов молекулярной спектроскопии, алгоритмов прогнозирования сворачивания белков и программного обеспечения для распознавания изображений.
"Мы предприняли процесс, который занял бы месяцы и сократил его до нескольких часов", - сказал Джозеф Кортни, выпускник Иллинойсского университета. Белки выполняют функции внутри клетки, и эти функции определяются точной структурой белков - способом их складывания и скручивания в сложную трехмерную форму.
Многие болезни вызваны неправильно функционирующим белком или его избыточным содержанием. «Если вы понимаете, как выглядят белки, вы можете изучить, как они действуют, и помочь в разработке лекарств и методов лечения этих заболеваний», - сказала Кортни. "Главное преимущество заключается в том, что если вы можете создать препарат, идеально вписывающийся в один белок, который уменьшает побочные эффекты, потому что он не будет взаимодействовать с другими молекулами."
Одним из ключевых методов определения доли белка является рентгеновская кристаллография. Однако многие интересные с медицинской точки зрения белки - например, фибриллы, характеризующие болезнь Паркинсона, - не образуют кристаллов, поэтому исследователи обратились к более совершенным спектроскопическим технологиям. Эти методы требуют от нескольких месяцев до нескольких лет интенсивного сбора и анализа данных, получения многочисленных показаний и измерений спектра белка.
Команда Иллинойса увидела возможность воспользоваться последними достижениями в области алгоритмов структурного прогнозирования, компьютерных моделей, которые генерируют множество возможных способов складок белка на основе его последовательности.
Основным недостатком этих подходов к моделированию является то, что они никогда не знают, правы ли они. Хорошо иметь модели, но это оставляет тысячи возможностей. Нужны экспериментальные данные, чтобы определить, какая из них правильна.
Исследователи полагаются на измерение спектра с помощью спектроскопического метода под названием ядерный магнитный резонанс, который дает молекулярный "отпечаток пальца" - нет двух белковых структур, имеющих одинаковый спектр.
Платформа КОМПАС анализирует возможные структуры, генерируемые прогнозируемыми моделями, проецирует спектр для каждой модели и использует передовое программное обеспечение для распознавания изображений для сравнения каждого прогнозируемого спектра со спектром, собранным из экспериментального образца.
"Мы называем это КОМПАС, потому что мы используем магнитное поле, чтобы указать нам правильное направление, в котором структура белка является правильной из всех этих вариантов", - сказал Риенстра.
Исследователи сравнили результаты 15 белков с информацией о структуре, полученной традиционными методами, и пришли к выводу, что КОМПАС оказался успешным в правильном определении структуры белков.
Исследователи надеются, что метод КОМПАС будут применять и другие химики. Одно из преимуществ, сказал Риенстра, заключается в том, что химик не обязательно должен быть экспертом в использовании КОМПАС, поскольку результаты алгоритмов являются автоматическими, объективными и воспроизводимыми.
Группа Риенстра планирует использовать КОМПАС в биомедицинских целях, надеясь изучить белки, которые до сих пор ускользали от исследователей из-за структурной сложности и нехватки образцов.
"У нас уже есть коллеги, которые присылают нам образцы для сравнения", - сказал Риенстра. "Мы работаем над тем, чтобы сравнить образцы белка у больных болезнью Паркинсона с образцом, который мы изучаем в лаборатории, чтобы посмотреть, есть ли он в их мозгу то же самое, что и в лаборатории. Это очень важный вопрос, который необходимо решить. Образцы очень маленькие, сигналы слабые, но мы можем получить один спектр и посмотреть, совпадают ли структуры. Это было бы невозможно при традиционных подходах, потому что нам понадобились бы образцы мозга в сто раз большего размера, и вы просто не можете сделать этого с пациентами".
Нормальное "узкое место" в сборе и анализе данных теперь полностью устранено, - сказал Кортни. "То, что было бы целым диссертационным проектом для аспиранта, теперь можно сократить до одного дня. И по мере совершенствования алгоритмов прогнозирования КОМПАС сможет воспользоваться этими достижениями, чтобы найти еще более сложные белковые структуры".