Работа, проведенная химиком-теоретиком Райса Питером Россски и докторантом Леной Симин, подтвердила с помощью компьютерного моделирования их теорию о том, что механический процесс контролирует гашение флуоресценции в ArcLight, синтетическом индикаторе напряжения, помещенном в белки, выстилающие внутренние мембраны нейронов.
С помощью своих моделей исследователи связали механизм и флуоресценцию с силой электрических полей, которые они наблюдали на хромофоре, флуоресцирующей части белка. Их результаты показали, что простая мера поля в моделировании может быть использована для прогнозирования того, будут ли новые флуоресцентные датчики вести себя и насколько хорошо будут вести себя до того, как исследователи синтезируют их, сказал Россски.
Исследование опубликовано в Журнале Американского химического общества.
ArcLight, разработанный нейробиологом из Йельского университета Винсентом Пьерибоном в 2012 году, представляет собой генетически закодированный белок индикатора напряжения флуоресценции. Он содержит мутацию, из-за которой сигнал флуоресценции тускнеет при повышении напряжения и становится ярче при падении напряжения.
Это делает его полезным для отслеживания сигналов в нервной системе, выражая белок в нейронах и наблюдая, как они загораются.
Белок привязан к клеточной стенке нейрона с помощью компонента, чувствительного к напряжению, который перемещается на несколько ангстрем, когда сигнал от другого нейрона изменяет электрический заряд в мембране. Исследователи Райса предположили, что движение притягивает белок к мембране, сжимая ее и гася флуоресценцию.
Россски сказал, что изменение формы белка приближает два остатка на нанометр друг к другу. Этого достаточно, чтобы определить, как хромофор избавляется от энергии, будь то свет (отказ от фотонов и флуоресценции) или тепло.
«Мы предположили, какое изменение геометрии происходит в белке в результате реакции мембраны», — сказал Россски. "А потом мы спросили:" Изменится ли это флуоресценцию? "?’И мы обнаружили, что это так. Кроме того, мы показали, что мониторинг гораздо более простого качества — электрического поля по двум осям, откуда исходит флуоресценция, — достаточен для полного описания отклика."
ArcLight зарекомендовал себя как хорошая модель. Пиерибоне, соавтор Райса, сказал участникам лекции 2014 года в Райсе, что даже он не знал точно, как это работает.
Лекция вдохновила Симин, которая только что приехала к Райс, приступить к изучению механизма.
«Я подумала:« Это звучит для меня как хороший проект », — сказала она.
Работа с исследователями из группы Хосе Онучича в Центре теоретической биологической физики Райса (CTBP) позволила Симине, физику-химику по образованию, воспользоваться опытом центра в моделировании белков для тестирования.
Она сказала, что в течение десятилетних дебатов между учеными не удалось определить, являются ли механические или электрические свойства белков причиной их флуоресценции.
Оказалось и того и другого.
«Недавняя статья представила вычислительные доказательства того, что он преимущественно электростатический, и это имеет смысл, потому что белок очень мягкий», — сказал Симин. «Мы также предположили, что эти мутации прилипают к мембране, и когда они это делают, ориентация белка позволяет белку сжиматься.«Она обнаружила, что электростатические изменения в нейронной мембране вызвали физическое изменение, которое гасит флуоресценцию, но также оставило электрический след в белке, который можно было наблюдать при моделировании.
«Мы немного обдумали это и придумали координату реакции», — сказала она. "Мы можем взять любую мутацию последовательности этого белка и преобразовать ее в два числа, которые являются входными данными для этой модели, электростатические поля вокруг хромофора. Это красивая, элегантная феноменологическая теория."
Лаборатория планирует протестировать свою технику на специально синтезированных флуоресцентных белках и сопоставить моделирование, чтобы убедиться, что их теория и эксперименты продолжают согласовываться. Если они это сделают, они ожидают, что их модели будут очень полезны синтетическим биологам, создающим новые классы флуоресцентных маркеров.
«Если вы хотите узнать флуоресценцию данной молекулы, вы проводите эксперимент», — сказал Россски. "Но если вы хотите знать, почему это работает, эти расчеты невероятно ценны."
Соавторами статьи являются научный сотрудник Райс Хайко Ламмерт, аспирант Ли Сун и Онучич, Гарри К. и Ольга К. Кафедра физики Wiess, профессор физики и астрономии и содиректор CTBP.
Россски — Гарри Си из Райса. и Ольга К. Кафедра естественных наук Wiess, профессор химии и декан Школы естественных наук Wiess.
Национальный научный фонд, его организация Extreme Science and Engineering Discovery Environment и CTBP поддержали исследование.