Att mäta formen på proteiner har precis blivit lättare tack vare matematiken

Proteinstruktur Analyser av proteinkärnor avslöjar grundläggande skillnader mellan lösning och kristallstrukturer

Proteiner är livets byggstenar. De är långa kedjor av aminosyror som själva sätts samman till molekylära maskiner av extraordinär komplexitet. Dessa maskiner inkluderar datorenheter som kallas ribosomer, ställningsskelett som kallas mikrotubuli och benliknande gångmaskiner som kallas kinesin, bland många andra.

Denna process för självmontering är ett av den moderna vetenskapens stora underverk - nästan som om en kedja av legoklossar plötsligt skulle samlas till en robot. Ingen är helt säker på hur detta händer, men forskare vet att formen på den resulterande strukturen bestämmer proteinets funktion och hur det interagerar med andra proteiner.

Så att mäta formen på proteiner är en avgörande uppgift. Den vanligaste metoden är att bilda kristaller från proteiner och sedan använda röntgenkristallografi för att bestämma proteinstrukturen.

Det är ett problem eftersom de flesta proteiner inte bildar kristaller. Och även när de gör det, kanske inte alla proteinmolekylerna tar samma form när de packas, vilket leder till felaktigheter.

En annan teknik, som kallas kärnmagnetisk resonans, skapar bilder av proteiner i lösning men kräver att de packas tätt i buntar. Återigen, bara ett fåtal proteiner kan göra detta.

En liten bråkdel av proteiner kan dock avbildas med båda teknikerna. Det är praktiskt eftersom det tillåter molekylärbiologer att jämföra strukturerna som varje teknik producerar.

Och det visar sig att strukturerna som hittas av varje teknik skiljer sig åt på betydande sätt. Men det är inte klart exakt vad som orsakar skillnaderna och hur man tolkar dem.

Idag förändras det, åtminstone delvis, tack vare Zhe Meis och kollegors arbete vid Yale University i New Haven. Detta team har mätt skillnaden i proteinstrukturen bestämd genom röntgenkristallografi och NMR. Och de har räknat ut varför skillnaden uppstår och hur man korrigerar för den.

Teamet började med att sammanställa en databas med proteiner med strukturer som bestäms av båda teknikerna vid hög upplösning. Det visar sig vara en relativt liten lista - bara 16 proteiner passar räkningen.

Forskarna skapade också en databas med röntgenkristallografiproteinstrukturer bestämt av flera olika grupper vid olika temperaturer. Detta gjorde det möjligt för teamet att studera hur temperaturen påverkar strukturen.

De skapade sedan en matematisk modell av hur proteiner packas ihop för att bilda antingen fasta kristaller eller buntar i lösning för NMR.

Det visar sig att packningsdensiteten exakt kan förklara skillnaden i struktur för båda teknikerna, buntarna i lösning har en högre densitet än kristaller. Vi identifierar den fysiska grunden för dessa skillnader genom att modellera proteinkärnor som fastnade packningar av aminosyraformade partiklar, säger forskarna.

De kan också finjustera sin matematiska modell genom att variera den termiska energin som används för att generera packningarna. Faktum är att proteinpackning som inte påverkas av temperatur har ungefär samma densitet som strukturer som bestäms av röntgenkristallografi

Detta tyder på att temperatur spelar en viktig roll i proteinpackningsstrukturen, eftersom strukturer som bestäms av NMR är tätare. Dessa resultat indikerar att termaliserade system kan packas tätare än termiska system, vilket tyder på en fysisk grund för de strukturella skillnaderna mellan proteinstrukturer lösta med NMR och röntgenkristallografi, säger Mei och co.

Temperaturen är dock inte hela historien. Proteiner i kristallstrukturer tvingas ta en viss form, och detta minskar mängden termisk distorsion som molekylen kan genomgå.

Så Mei och cos resultat väcker en intressant fråga: I vilken utsträckning är proteinstruktur resultatet av temperatur eller resultatet av kristallpackning?

Det får vänta på vidare arbete.

Ref: arxiv.org/abs/1907.08233 : Analyser av proteinkärnor avslöjar grundläggande skillnader mellan lösning och kristallstrukturer

Dölj