Ученые из Университета ИТМО и Еврейского университета в Иерусалиме открыли ранее неизвестный механизм воскрешения белков после температурной денатурации, который не только лишь восстанавливает активную функцию белков, но и повышает их изначальную активность практически в два раза. Описанное в работе явление ученые назвали эффектом феникса, проведя аналогию с известным мифическим созданием, которое, воскресая после смерти, становится еще сильнее. Результаты работы были опубликованы в журнале Scientific Reports.

Белки играют огромную роль в поддержании жизненных процессов. Именно эти молекулы обеспечивают в клетках такие реакции, как репликация ДНК и катализ метаболизма. Когда белки погибают, происходит денатурация — разворачивание их нативной пространственной структуры, — что, в свою очередь, ведет к потере активной функции. Собрав развернутый полимерный клубок обратно, то есть, совершив ренатурацию, можно вернуть белку прежнюю активность, однако для этого требуется немало усилий.

Денатурированные белки зачастую спутываются в токсичные соединения, являясь причиной серьезных заболеваний, таких как Альцгеймер, Паркинсон и Хантингтон. По этой причине исследование механизмов денатурации и ренатурации белков сегодня является одним из наиболее привлекательных научных направлений.

В работе ученые Владимир Виноградов, заведующий лабораторией растворной химии передовых материалов и технологий Университета ИТМО, и Давид Авнир, профессор Еврейского Университета в Иерусалиме, впервые показали, что полный возврат белков к жизни не просто осуществим, но также может быть выполнен с увеличением их изначальной естественной активности. Добиться такого результата удалось благодаря новому способу ренатурации белков, основанному на смешении денатурированных белковых молекул (карбоновая ангидраза) с коллоидным раствором неорганических наночастиц оксида алюминия.

Оказалось, что при переходе коллоидного раствора в гель наночастицы начинают сшиваться друг с другом, оказывая на молекулы белка механическое давление. В результате каждая белковая молекула попадает в индивидуальную пористую оболочку из наночастиц, что препятствует губительному спутыванию белков и в конечном итоге возвращает белкам их исходную пространственную структуру, а значит и активную функцию.

Сравнив эффективность белков до денатурации и после ренатурации, химики обнаружили, что воскресшие белки стали на 180 процентов эффективнее, чем их нативные предшественники. Связано это с тем, как белок вступает в реакцию с окружающим его субстратом.

«У каждой белковой молекулы есть свой активный центр, за счет которого происходит взаимодействие со средой. Этот активный центр составляет всего 5 — 10 процентов от всей поверхности белка, все остальное — это своеобразный балласт, — рассказывает Владимир Виноградов. — При ренатурации мы имеем длинную вытянутую молекулу с активным центром и расходящимися в разные стороны хвостами. Активный центр и наночастицы оксида алюминия имеют один заряд, поэтому будут отталкиваться, а вот хвосты имеют другой заряд и будут притягиваться к наночастицам. Получается так, что активный центр окажется расположен максимально далеко от стенки оболочки и будет вывернут прямо по направлению к поре, оставаясь доступным для взаимодействия с субстратом.»

По словам ученых, если провести такую процедуру с нативным белком, то ориентацией молекулы внутри матрицы управлять будет невозможно. В нативном состоянии активный центр белка с большой степенью вероятности может оказаться у стенки матрицы, что полностью исключит доступность активного центра для субстрата.

Как пояснил соавтор исследования Давид Авнир, открытие может быть также использовано для оптимизации производства лекарств на основе активных белков:

«Большинство наиболее эффективных лекарств сегодня основаны именно на белках, которые получают из живых клеток. Однако среди выработанных таким образом белков лишь около 20 процентов являются нативными и годны к использованию, в то время как остальные 80 процентов составляют так называемые тела включения — тоже белки, но денатурированные. Очевидно, что возможность перевода денатурированных белков обратно в активное состояние, да еще и с повышенной эффективностью, позволило бы удешевить производство многих лекарств и сделать их более доступными».

Пресс-служба Университета ИТМО