Ученые Тихоокеанского квантового центра Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) смоделировали, как сворачивается и разворачивается белок со скользящим узлом AFV3–109 в зависимости от температуры, в соответствии с законами симметрии. Белок типичен для вирусов архей, древнейших одноклеточных организмов, которые способны выживать в экстремальных условиях подводных вулканических источников.
Российские ученые изучили особенности строения белков древних жизненных форм, способных выживать даже в кратере подводного вулкана
Механизм, по которому белки сворачиваются и разворачиваются (т.н. фолдинг/анфолдинг) — ключ к лечению многих тяжелых заболеваний, в том числе онкологии.
Используя численные методы и применив нетипичную для изучения белков квантовую теорию поля, ученые исследовали топологию (схему) сворачивания белка AFV3–109 со скользящим узлом, получив сразу несколько неожиданных интересных результатов, полезных при будущих исследованиях.
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 образуем 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 поведения молекулы как одного целого. Возникает ощущение, что кто-то целенаправленно завязывает молекулу в узел. Такое поведение делает белок очень важным объектом для исследования. Недавнее достижение в предсказании структуры белка методами машинного обучения (DeepMind) всё же не раскрывает природы образования этой узловой структуры. Результаты работы опубликованы на портале PLOS ONE.
«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, основы всего живого».
Согласно классической теории поля, движение каждого отдельного атома может быть истолковано как часть общей степени свободы (солитона) с определённым количеством общих координат. Примером солитона служит волна цунами с её 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 убрать. Это станет ключом к пониманию многих болезней, спровоцированных неправильным поведением белков — в их числе онкология, диабет второго типа, синдром инфекционного слабоумия, оболочечные вирусы, включая новый коронавирус, Эбола, и СПИД.
Материал предоставлен пресс-службой ДВФУ
