Более 25 процентов всех белков человека — это мембранные белки, которые выполняют другие важные функции, такие как восприятие и передача сигналов. Они также составляют примерно 50 процентов текущих целевых показателей по лекарственным средствам, но структура лишь небольшого процента была решена.Исследование UCSB началось, когда исследователи обнаружили, что вода на поверхности мембраны имеет очень четкий характер движения: он замедляется, потому что вода притягивается к поверхности мембраны через несколько слоев воды. Затем ученые задались вопросом, могут ли они использовать это как внутреннюю линейку, чтобы определить, как ассоциированный белок закреплен в мембране.
«Очень сложно определить, на какой глубине и в какой конформации белок связывается с мембраной, особенно если вы говорите о границе раздела или даже поверхности», — сказал профессор химии UCSB Сон-И Хан, автор-корреспондент учиться. «Мы обнаружили механизм контраста — динамику воды — который заметно отличается даже над поверхностью мембраны, где нет плотности липидов. Поверхность мембраны заметно изменяет свойства слоев воды над ней».Ученый-докторант Чи-Юань Ченг, ведущий автор исследования, и его коллеги использовали свой уникальный спектроскопический инструмент для измерения диффузии воды в различных положениях двух мембраносвязанных белков. Они были тщательно подготовлены группой Ральфа Лангена из Университета Южной Калифорнии, группой экспертов по изучению структуры белков, ассоциированных с мембранами.
Затем исследователи UCSB использовали градиент динамики воды вдоль бислоя в качестве внутренней линейки для определения структурной информации, такой как топология, глубина погружения и расположение белков, включая белковые сегменты, расположенные далеко от поверхности мембраны — информацию, которая была ранее не решенные.«Мембранные белки могут располагаться глубоко внутри мембраны, но также связываться с периферией мембраны», — пояснил Ченг. «Это может играть очень важную роль в функционировании, особенно для периферических и межфазных белков».«Мы не предполагаем, что наше исследование может полностью разрешить структуру, но оно предлагает важный и недостающий фрагмент головоломки для решения этой проблемы», — сказал Хан. «Хотя мы не можем определить всю структуру, очень важно знать расположение и структуру белкового сегмента на поверхности мембран».
Команда использовала ядерный магнитный резонанс (ЯМР) с динамической ядерной поляризацией Оверхаузера — метод, который они разработали в течение последних нескольких лет. Используя небольшой и стабильный радикал с еще более высокими магнитными свойствами, чем атом водорода в воде, исследователи использовали этот магнитный диполь, вставив его в качестве спинового зонда в интересующее положение белка или мембраны. Затем они использовали микроволновое излучение для возбуждения диполя, который впоследствии возбудил соседние молекулы воды, только когда они двигались с той же частотой, что и диполь. Фактически, вода возле спинового зонда была поляризована, что привело к значительному усилению сигнала ЯМР, которое можно было измерить, чтобы извлечь локальную динамику воды.
«Люди использовали этот метод ЯМР-релаксометрии и раньше, — сказал Хан, — но новизна заключается в том, что мы используем спин электрона в качестве источника возбуждения, который имеет гораздо более высокую частоту, чем использовалось ранее, и что мы активно управляем возбуждением. этих спиновых зондов с помощью микроволн. Спиновые зонды обрабатывают на частоте 10 гигагерц — вместо сотен мегагерц — что позволяет нам взглянуть на более быструю динамику воды, имеющую отношение к здесь, поскольку они изменяются на биомолекулярных поверхностях ».Это доказательство основного исследования — лишь первый шаг.
Затем команда изучит нейродегенеративные белки, в частности тау, который играет ключевую роль в болезни Альцгеймера. Рабочая гипотеза состоит в том, что на некоторых стадиях агрегации тау может проявлять токсичность при прохождении через мембранный барьер, что частично определяется его замедленной динамикой поверхностных вод.
Новый инструмент, разработанный Han Research Group UCSB, можно использовать для проверки этой гипотезы.«Вы можете себе представить, что доказательство или опровержение этой концепции затруднено тем фактом, что очень трудно смотреть на ассоциацию белок-мембрана», — сказал Хан. «Теперь у нас есть способ измерить эти молекулярные сборки. Так что, если это правда, что определенные виды белков или их олигомеры проталкиваются, в основном разрушая этот барьер и делая мембрану более протекающей, мы, несомненно, сможем увидеть эти особенности, посмотрев на динамика поверхностных вод ".