В ДВФУ смоделировали поведение белковой молекулы вирусов архей, чтобы приоткрыть тайну фолдинга белков.
Ученые Тихоокеанского квантового центра Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) смоделировали, как в зависимости от температуры сворачивается и разворачивается белок со скользящим узлом AFV3-109. Белок типичен для вируса архей, древнейших одноклеточных организмов, которые способны выживать в экстремальных условиях подводных вулканических источников.
Используя численные методы и применив нетипичную для изучения белков теорию поля, ученые ДВФУ исследовали топологию (схему) сворачивания белка AFV3-109 со скользящим узлом, получив сразу несколько неожиданных интересных результатов.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.
«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 профессор Александр Молочков, доктор физико-математических наук, руководитель Тихоокеанского квантового центра ДВФУ.
Чтобы длинная молекула белка AFV3-109 сама завязалась в узел, необходимо согласованное коллективное поведение молекулы как одного целого. Возникает ощущение, что кто-то целенаправленно завязывает молекулу в узел. Такое поведение делает белок очень важным объектом для исследования. При этом недавнее достижение в предсказании структуры белка методами машинного обучения (DeepMind) все же не раскрывает природы образования этой узловой структуры.
«В нашей работе 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, лежащих в основе всего живого».
Согласно классической теории поля, движение каждого отдельного атома может быть истолковано как часть общей степени свободы (солитона) с определенным количеством общих координат. Примером такого 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 надо убрать. Это станет ключом к пониманию многих болезней, спровоцированных неправильным поведением белков. В их числе онкология, диабет второго типа, синдром инфекционного слабоумия, когда белки (прионы) вызывают деменцию, а также оболочечные вирусы, включая новый коронавирус, лихорадку 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 для изучения белков ученые ДВФУ применили, чтобы смоделировать и предсказать изменения в структуре белка миоглобина, зависящие от температуры и кислотности среды. В работе впервые объяснили, почему с изменением кислотности на определенном участке миоглобина высвобождаются молекулы кислорода.
Использованы материалы статьи On topology and knotty entanglement in protein folding; Alexander Begun; Sergei Liubimov; Alexander Molochkov; Antti J. Niemi, журнал PLOS one, январь 2021 г.