Внедрение белков в клеточную мембрану. Многие белки с важными биологическими функциями встроены в биомембрану в клетках человека и других живых организмов. Но как они туда попадают в первую очередь? Исследователи в отделе биологических наук и инженерии в ETH Zurich исследовали этот вопрос.

Эксперимент: крошечный кантилевер толщиной всего в несколько нанометров используется для выделения мембранного белка (красного цвета) и транспортировки его к белку-помощнику (фиолетового цвета) в другом месте. Фото: Визуализации: Сердюк Т. и др., Science Advances 2019, под редакцией

Почти треть всех белков в живых существах прочно встроены в биомембрану — либо в наружную мембрану клетки, либо в границы внутренних клеточных компартментов. Там эти мембранные белки выполняют важные задачи, выступая, например, в качестве молекулярных каналов для транспорта метаболитов и питательных веществ через мембрану или в качестве сенсорных белков для восприятия клеточной среды.

Команда исследователей во главе с Дэниелом Дж. Мюллером, профессором кафедры биологических наук и инженерии в ETH Zurich в Базеле, в настоящее время изучает, как мембранные белки попадают в мембраны. Для этого они использовали высокоточный метод, который позволяет им извлекать отдельные белки из мембран или оседать на них. Этот метод, известный как одно-молекулярная силовая спектроскопия, позволяет ученым направлять управляемый компьютером кантилевер толщиной всего в несколько нанометров в определенное место на поверхности мембраны с максимальной точностью. Молекулярные силы адгезии заставляют белок, расположенный там, прилипать к кантилеверу

Роль двух вспомогательных белков

В экспериментах с бактериальными белками исследователи смогли выяснить роль двух вспомогательных белков — вставки и транслоказы, которые позволяют мембранным белкам встраиваться в мембрану. Инсертаза представляет собой один белок, а транслоказа представляет собой комплекс, состоящий из нескольких белков. Оба они гарантируют, что поры открываются в мембране. «В случае вставки мы можем рассматривать эту пору как слайд. Мембранный белок изначально присутствует в виде неструктурированной пептидной цепи, которая скользит по этому слайду в мембрану. В мембране эта пептидная цепь приобретает функциональную трехмерную форму », — объясняет профессор ETH Мюллер. «После того, как мембранный белок успешно стал трехмерным и внедрился в мембрану,

Белок-помощник (здесь транслоказа, фиолетовый) уже находится в биомембране

Белок-помощник (здесь транслоказа, фиолетовый) уже находится в биомембране (серый) и помогает мембранному белку в форме пептидной цепи (слева, красный) внедряется в мембрану (справа). Фото: Визуализации: Сердюк Т. и др., Science Advances 2019

До настоящего времени исследование того, как функционируют эти вспомогательные белки, было неточным и использовало только короткие пептиды или проводилось только за пределами биомембран. «Теперь мы впервые и шаг за шагом наблюдали и описывали, как весь белок встраивается в мембрану и принимает трехмерную форму», — говорит Татьяна Сердюк, постдок из группы профессора Мюллера из ETH и первой в исследовании. автор.

Исследователи ETH также смогли показать различия в том, как работают вставки и транслоказы: вставки вставляют пептидные цепи в мембрану относительно быстро, но неуклюже. «Это означает, что они хорошо работают, особенно с небольшими белками», — говорит Мюллер. Транслоказы, с другой стороны, вставляют пептидные нити в секцию мембраны за секцией, делая их более подходящими для более сложных белков.

Важно для медицины

Это исследование является примером классических фундаментальных исследований, которые особенно важны с учетом важности мембранных белков для медицины, как подчеркивает Мюллер: «Около половины всех лекарств воздействуют на мембранные белки, и нам необходимо понять, как эти мембранные белки образуются и как они работают. »

Кроме того, одно-молекулярная силовая спектроскопия, которую ученые ETH усовершенствовали для этого исследования, может быть использована в других приложениях: в связи с Национальным центром компетентности в исследованиях (NCCR) для молекулярной инженерии систем, Мюллер и другие ученые работают разработать искусственные биологические клетки. «Этот метод может быть использован для индивидуальной подгонки биомембран с белками, по сути, для их программирования», — говорит профессор ETH. «Искусственные клетки такого рода могут однажды использоваться в качестве молекулярных заводов для производства фармацевтических препаратов в промышленных масштабах».

По материалам phys.org