Специалисты провели численный эксперимент, с помощью которого изучили поведение моделей трехмерных структур белка Nip7, участвующего в процессинге РНК, из глубоководных и мелководных пирококков – гипертермофильных архей. Ученые решили изучить этот белок потому, что при сравнении его последовательностей из глубоководных и мелководных организмов в этих белках наблюдалась повышенная частота адаптивных мутаций, которые были накоплены в процессе эволюции глубоководных архей к мелководным формам.
Дополнительным преимуществом в выборе этого белка явилось то, что ученым уже была известна 3D-структура белка для одного из изучаемых организмов (глубоководного). Кроме того, молекула Nip7 компактна и у нее относительно небольшая длина цепи – всего 150 аминокислот. Это сильно упрощало задачу построения ее трехмерной модели.
«Наша идея была в том, чтобы попытаться найти различия в динамических свойствах молекулярных моделей двух белков, а также оценить различия в их ответе на повышение/понижение давлений. Ну, и заодно температур, поскольку оба этих организма обитают при 100 градусах Цельсия. Оказалось, как ни странно, что при исследованных нами интервалах температуры и давления каких-то кардинальных различий в динамике для этих двух белков не происходит. Хотя было бы очень интересно с точки зрения интерпретации, если бы такие различия нашлись», - рассказал один из авторов исследования, заведующий лабораторией эволюционной биоинфоматики и теоретической генетики Института цитологии и генетики СО РАН Дмитрий Афонников.
Тесты, которые использовали ученые, таких значимых различий не выявили. Это говорит о том, что у данных белков есть большой запас прочности, по отношению и к повышенным давлениям, и к повышенным температурам.
Авторы исследования обнаружили, что белки из глубоководного и мелководного организмов в изученных интервалах давления и температуры достаточно устойчивы и, скорее всего, способны выполнять свои функции в этих условиях.
Значимые различия в динамике полипептидной цепи были выявлены для некоторых аминокислот, прежде всего, для тех, которые, предположительно, могут участвовать в белок-белковых взаимодействиях. Однако из-за того, что функция этого белка до конца неизвестна ученым, требуются дальнейшие исследования для понимания роли этих изменений.
Также оказалось, что молекула Nip7 имеет два участка, которые сильно различаются по своим динамическим свойствам. Один из них связывается с РНК и более подвижен, другой же обладает определенной жесткостью. Возможно, что выявленные различия играют большую роль в функционировании белков Nip7.
Кроме того, ученые определили, что увеличение температуры в основном приводит к увеличению флуктуаций полипептидной цепи (дрожанию), причем в среднем дрожание увеличивается в полтора раза, если сравнивать белки при комнатной температуре и 100 градусах Цельсия. Давление приводит к уменьшению дрожания, но изменения небольшие – около 0,9 раз, т.е. всего не более 10%. При этом и давление, и температура все-таки действуют неоднородно: какие-то участки цепи подвержены их влиянию больше (в основном, это петли), какие-то меньше.
Результаты исследования опубликованы в открытом онлайн-журнале BMC Stuctural Biology.
Исследование поможет синтезировать новые ферменты
Схожие проблемы изучают многие научные коллективы, в том числе и в России. Интересный аспект в работе коллектива авторов из Новосибирска заключается в акценте на сравнении эффектов влияния температуры и давления на свойства белков архей из местообитаний с различными условиями среды. Вообще, анализ молекулярной динамики в настоящее время – очень популярный метод. Большое количество исследователей используют его для решения самых разных задач, но изучением и сравнением белков из организмов разных экологических групп занимаются немногие.
Раскрыв особенности функционирования белков Nip7 у различных архей в экстремальных условиях, ученые смогут использовать полученные знания для решения и таких задач, как синтез ферментов, адаптированных к функционированию в экстремальных условиях высоких температур и давлений. А разработка таких ферментов, в свою очередь, является актуальной для таких прикладных областей, как промышленные биотехнологии.
