Воздействие на белки в мембранах клеток — один из основных механизмов работы разнообразных лекарств. Чтобы его подробно изучить, в лабораториях используют миниатюрные липидные наночастицы со встроенными в них белками. Российские исследователи выяснили, как происходит сборка этих структур, и научились получать их проще и эффективнее. Результаты работы, поддержанной грантом Российского научного фонда (РНФ) и опубликованной в Journal of Biomolecular NMR, помогут как в изучении принципов сборки таких мембраноподобных систем и встраивания в них белков, так и в разработке новых подходов для тестирования лекарств.
Оболочка клеток представляет собой липидную мембрану со встроенными в нее белками. Они выполняют множество важных функций: запускают каскады реакций, способные уничтожить или спасти клетку; обеспечивают постоянство ее внутренней среды; участвуют в передаче сигналов; могут заставить клетку мигрировать или делиться и многое другое. Так, воздействуя на эти самые мембранные белки, можно оказывать влияние на множество важных процессов в клетке, что делает их популярными мишенями для лекарств. Например, на мембранные белки, специфические для раковой опухоли, можно направить распознающие их антитела с препаратом, который уничтожит опухоль.
В состав мембранных белков входят гидрофобные участки, которые плохо взаимодействуют с водой. Для правильного сворачивания и функционирования таких белков необходимо липидное окружение, по свойствам максимально приближенное к природному. Поэтому на начальных этапах тестирования потенциальных лекарств их эффективность могут проверять на мембранных белках-мишенях, встроенных в искусственные аналоги мембран. В лаборатории возможна самосборка таких систем из водного раствора, в котором помимо самих белков-мишеней присутствуют липиды, детергенты и вспомогательные органические вещества, например, фторсодержащий спирт трифторэтанол. Они помогают белку начать сворачиваться, перейти из неблагоприятного водного в более комфортное окружение, состоящее из молекул липидов и детергентов, и завершить свою сборку уже в нем. В результате получается белок, находящийся не в полноценной мембране, а в окружении из молекул липида и детергента, то есть в бицеллах. Изменяя соотношение воды и трифторэтанола, можно достаточно точно настроить процесс получения таких структур, однако обычно соотношения растворителей подбирают экспериментально и во многом по наитию.
Сотрудники Института биоорганической химии имени академиков М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова (Москва) и Московского физико-технического института (Долгопрудный) решили выяснить, что же происходит с белком и липидами при их самосборке в смеси воды с трифторэтанолом. В своей работе авторы экспериментально смоделировали сборку бицелл с тремя мембранными белками-рецепторами. При помощи спектроскопии они определяли, какое количество молекул белка оказывается включено в состав частиц, какого размера они получаются, а также каковы их свойства.
Прежде всего ученые выяснили, что при содержании спирта 50% и выше объединение липидов и включение белка в эти комплексы запускаются быстрее всего. Также, согласно полученным данным, для успешного сворачивания не требуется включение белка в частицы липида или детергента — оно может происходить уже тогда, когда эти компоненты просто находятся рядом в воде.
Вместе с тем, разработать универсальный и абсолютно надежный метод встраивания белков в бицеллы не удалось. Белки, даже правильно свернутые и вошедшие в состав бицеллы, в некоторых случаях самопроизвольно объединялись между собой и выпадали в осадок. Однако авторы все же смогли отчасти решить эту проблему: используя предложенный подход, не нужно было тестировать множество возможных соотношений, как это требовалось раньше. Теперь достаточно проверить всего две или три концентрации, при которых возникают принципиально разные состояния компонент смеси. Так, при содержании воды, равном 20–30%, белок в основном находится в растворе, но уже начинает взаимодействовать с липидами; при 50% воды белок включается в липидные объединения, а детергент остается в растворе. При 70–80% воды детергент попадает в липидно-белковые системы и может поменять структуру белка, но это происходит достаточно редко.
«Таким образом, мы смогли существенно снизить диапазон необходимых измерений, охватывающих все основные этапы включения белка из раствора в искусственную мембрану. Это заметно сократит время на планирование эксперимента и собственно создание бицелл. В дальнейшем мы планируем проверить другие способы встраивания белка в липидные частицы, например, напрямую при его бесклеточном синтезе в специальных реакторах. Возможно, такой подход окажется еще эффективнее», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Марина Гончарук, кандидат биологических наук, научный сотрудник лаборатории биомолекулярной ЯМР-спектроскопии ИБХ РАН.