В борьбе с вирусами и другими патогенными микроорганизмами ученые обращают внимание не только на гены и белки, но и на сложные сахара, или гликаны, располагающиеся на поверхности клеток.
Клетки на самом деле "пушистые". Это для многих может стать сюрпризом, поскольку иллюстрации в учебниках очень часто изображают клетку гладкой. "Чем-то вроде шарика, полного воды", - сказала Элиза Фадда (Elisa Fadda), химик-вычислитель из Университета Мейнута (Maynooth University) в Ирландии. Но это абсолютно не так. На самом деле поверхность клетки украшена большим количеством сахаров, сложными и разнообразными скоплениями углеводов, которые простираются как ветки и листья из стволов белковых деревьев. И поскольку этот полог является тем лицом, которое клетка показывает миру, эти сложные углеводы, или гликаны, играют важнейшую роль в ее взаимодействии с другими клетками или молекулами.
Значение гликанов в биомедицинских исследованиях растет достаточно продолжительное время, так как исследователи изучают, как сахара помогают активировать, регулировать и направлять иммунный ответ. Изучение структуры и функции гликанов в здоровье и заболеваниях человека уже привело к лучшему пониманию различных патогенов и к разработке новых методов лечения и вакцин. Однако пандемия КОВИД-19 привнесла еще большую актуальность в этот вопрос, поскольку многие ученые считают, что знания о гликанах могут оказаться необходимыми для борьбы с вирусом ТОРС-КОВ-2. Несколько исследовательских групп уже опубликовали первые подробные модели гликанов вируса, которые указывают на потенциальную уязвимость патогена.
Множество жизненно важных видов использования сахара
Есть причина, по которой геномика и протеомика прыгнули выше гликомики: Огромная сложность сахаров усложняет их изучение. ДНК, РНК и белки - это линейные молекулы, построенные по определенным наборам правил и ученые располагают инструментами для их упорядочения, анализа и манипулирования. Но гликаны - это разветвленные структуры, которые собираются без известного шаблона. Гликаны также имеют экспоненциально больше потенциальных конфигураций, чем ДНК или белки: Три различных нуклеотида могут образовывать шесть различных последовательностей ДНК; три аминокислоты могут образовывать шесть уникальных пептидов; три гликанных строительных блока могут образовывать более тысячи структур. Гликаны гибкие, колеблющиеся и переменные; замысловатые, динамические и несколько непредсказуемые. Их анализ требует больших технических знаний и более сложного оборудования.
В результате, "область гликобиологии стала скорее специализированной поддисциплиной", - сказал Макс Криспин, гликобиолог из Университета Саутгемптона в Англии и один из лидеров работы SARS-CoV-2 над гликанами (часть которой была опубликована в начале мая 2020 года в журнале Science).
Однако в течение 2010-х годов стало очевидным, что эти углеводы необходимо более широко учитывать в биологии. "Сахар - это не просто элемент, делающий нас счастливыми", - сказал Виктор Низет, исследователь в области детской медицины Калифорнийского университета в Сан-Диего, который специализируется на взаимодействиях микробов и инфекционных заболеваниях. "Он является важнейшим элементом структуры".
Гликаны помогают стабилизировать белки и обеспечить их правильное складывание. Как рецепторы на поверхности клеток, они регулируют функционирование и движение клеток. Они участвуют в процессах от сигнализации факторов роста до связывания сперматозоидов и яйцеклеток. Они определяют группу крови человека. Они вовлечены в сердечно-сосудистые заболевания, диабет и другие заболевания.
"Они действительно играют огромное разнообразие ролей в организме, и мы как бы только начинаем понимать состав этих гликанов и то, где они живут", - сказал Эндрю Уорд, вычислительный биолог из Калифорнийского научно-исследовательского института Скриппса.
Без учета сахара мы не сможем полностью понять, как белки и клетки взаимодействуют и функционируют". "Представьте себе мир, в котором каждый из нас знал только часть алфавита", - написал Джейми Март, молекулярный биолог из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, в письме к журналу Nature Cell Biology.
Часть 2