Календарь дайджеста
| ПН | ВТ | СР | ЧТ | ПТ | СБ | ВС |
|---|---|---|---|---|---|---|
| << < | >> | |||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | |||
| 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 |
| 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 |
| 19 | 20 | 21 | 22 | 23 | 24 | 25 |
| 26 | 27 | 28 | 29 | 30 | 31 | |
29 мая 2025
Биофизики научились изменять растворимость белков
Ученые из МФТИ разработали новый подход для превращения мембранных белков в растворимые с помощью нейронных сетей. Мембранные белки отвечают за «общение» живой клетки с окружающей средой, и теперь их станет легче изучать, в том числе находить действующие на них лекарства. Результаты работы опубликованы в журнале Chemical Science (входит в Nature Index).
Рисунок 1. Иллюстрация: Применение нейронной сети позволяет превратить природный мембранный белок (слева) в искусственный растворимый (справа). Зеленым показаны гидрофобные (нерастворимые в воде) аминокислоты, а красным и синим – полярные и заряженные аминокислоты.
Источник: Chemical Science.
В основе жизнедеятельности всех окружающих нас живых существ лежат специальные молекулы – белки. Среди белков можно выделить два основных класса: так называемые растворимые – те, которые могут свободно перемещаться внутри или снаружи клетки и останутся в растворе, если клетка разрушится, и мембранные – те, которые находятся в оболочках, окружающих клетку или ее органеллы. С мембранными белками гораздо сложнее работать, но при этом зачастую и важнее: они отвечают за перенос веществ внутрь клетки и обратно, передачу сигналов и многое другое. В том числе из-за этого они являются мишенями многих лекарств.
У ученых есть несколько подходов для упрощения работы с мембранными белками, которые чаще всего основываются на использовании поверхностно активных веществ: они обволакивают мембранный белок, а иногда и часть мембраны вокруг него, и делают его растворимым. Такой подход требует значительных усилий и зачастую приводит к выпадению белка в осадок – в буквальном смысле – и потере им своих свойств. Но есть и альтернатива: получение растворимого аналога через изменение самого гена, кодирующего мембранный белок. В целом подобные подходы, называемые белковой инженерией, были удостоены Нобелевской премии по химии в 2024 году. Однако для некоторых задач, в том числе при работе с мембранными белками, инженерия белков пока остается скорее искусством, чем технологией.
Биофизики Центра исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ много работают с мембранными белками – например, человеческими рецепторами и ионными насосами. Поиск возможностей упростить процесс изучения мембранных белков - одна из целей исследований. В работе, опубликованной в журнале Chemical Science, они показали, что можно достаточно простым способом скомбинировать специальную графовую нейронную сеть, ProteinMPNN, с моделированием методом молекулярной динамики, чтобы предсказать последовательности возможных растворимых аналогов мембранных белков. Искусственные растворимые варианты для одного из самых известных мембранных белков, бактериородопсина, полученные учеными, оказались функциональными и весьма удобными в работе. Более того, эти белки стали первым примером разработки аналога мембранного белка, который бы сохранил активный сайт, находившийся внутри мембранной части, и активность которого была бы однозначно подтверждена при помощи спектроскопии и рентгеновской кристаллографии.
«Белковая инженерия развивается невероятно быстро, и было очень интересно попробовать применить в ней свои силы, особенно работая над задачами, которые ранее не удалось решить Нобелевским лауреатам. Теперь, когда этот проект закончен, планируем развивать методы дальше», – говорит Андрей Николаев, ведущий автор работы, аспирант Физтех-школы физики и исследований им. Ландау.
Разработанный подход далее может быть применен сразу в нескольких важных проектах. Так, разработка растворимых аналогов человеческих рецепторов должна позволить ускорить поиск новых лекарственных средств, так как их легче использовать для высокопроизводительного скрининга. С другой стороны, аналоги фотоактивных мембранных белков могут лечь в основу новых молекулярных инструментов для клеточной биологии. Инженерия же белков в целом способствует развитию биотехнологий – применению биомолекул, ферментов и микроорганизмов в сельскохозяйственной, пищевой, фармацевтической и других промышленностях.
«Наш Центр давно занимается применением методов молекулярной биофизики к биологическим молекулам, к которым все чаще присоединяются и подходы белковой инженерии, и синтетической биологии. А то, что работа использует нейронные сети, выполнена в физико-техническом институте и опубликована в журнале с названием Chemical Science – “Химическая наука” – подчеркивает мультидисциплинарность и сложность современных исследований»,– замечает Иван Гущин, руководитель проекта, старший научный сотрудник, заведующий лабораторией структурного анализа и инжиниринга мембранных систем Центра исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ.
Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ и Российского научного фонда (проект 21-64-00018).
