Ученые ИТЭБ РАН из подмосковного Пущино, смогли прояснить некоторые фундаментальные вопросы, касающиеся необычных и интересных объектов исследования, все чаще используемых в биотехнологиях — ретро-форм белков. Результаты их работы, посвященной изучению эндолизина бактериофага Т5 и его ретро-формы, опубликованы в недавнем выпуске журнала Biochimica et Biophisica Acta. Эндолизин бактериофага Т5 в присутствии антисептиков активно губит болезнетворные бактерии, что ранее продемонстрировал коллектив ученых из Пущино, соавторами которых являются сотрудники Лаборатории ЯМР-исследований биосистем. Поэтому все исследования, которые могут помочь медицине лечить пациентов без антибиотиков весьма перспективны.

Последние 20 лет многие ученые в разных странах занимаются исследованием ретро-форм различных белков. Ретро-форма белка — это белок, состоящий из того же самого набора аминокислот, но только собранного в обратной последовательности. Однако каждый белок — это не просто цепочка из определенных аминокислот. С помощью водородных связей происходит упорядочивание фрагментов полипептидной цепи, с образованием либо α-спиралей, либо складчатых слоев β-структуры, при этом формируя вторичную структуру белка. В свою очередь, эти спирали и слои укладываются в пространстве определенным образом, стабилизируясь различными типами взаимодействий, в которых гидрофобные взаимодействия играют важнейшую роль. Только те белки, которые имеют «правильную» укладку (третичную структуру), способны выполнять свою биологическую функцию.

На рисунке представлена молекула эндолизин...

На рисунке представлена молекула эндолизина Т5, содержащего ион цинка. Этот белок является исходной формой для ретро-эндолизина. Трехмерная структура получена в Лаборатории ЯМР -исследований биосистем.

Первоначальная идея, для которой создавались ретро-формы белков, состояла в том, что ретро-формы белков смогут правильно сворачиваться, но при этом будут иметь противоположную хиральность (термин основан на древнегреческом названии наиболее узнаваемого хирального предмета — руки. Так, левая и правая руки являются зеркальными отражениями, но не могут быть совмещены друг с другом в пространстве). Перспектива использования таких ретро-белков, например, в качестве лекарственных препаратов, представлялась весьма многообещающей. Например, многие лекарственные препараты, созданные на основе обычных белков, организм пациента воспринимает как чужеродные агенты, и начинает бороться не только с болезнью, но и с лекарством. Если же использовать для этих целей ретро-форму белков, из-за того, что они свернуты зеркально, организм не «узнает» их. В этом случае иммунитет не будет уничтожать такие вещества, и они смогут помочь организму справиться с болезнью. Но попытка «обмануть» иммунную систему с помощью ретро-форм не удалась. Выяснилось, что подобные белки не способны приобретать третичную структуру, или проще говоря, сворачиваться. А это означает, что они не могут и фунционировать, так как это от них ожидалось.

Сотрудники Лаборатории ЯМР -исследований биосистем Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН объяснили причину, по которой ретро-формы белков не могут сворачиваться. В своей новой публикации они смогли описать этот интереснейший феномен. Используя ЯМР спектроскопию высокого разрешения, исследователи провели сравнительный анализ внутримолекулярной динамики исходного белка эндолизина бактериофага Т5 и его ретро-формы. Известно, что для сворачивания белка необходим гидрофобный коллапс, который и дает первоначальный толчок для правильной укладки белка, сближая его аминокислотные остатки. Если же степени свободы боковых цепей аминокислотных остатков недостаточны, гидрофобный коллапс произойти не может, что и происходит в ретро-формах белковых молекул. Чтобы белок свернулся, нужно чтобы коллапсированное ядро приобрело некоторый минимальный, критический размер, чтобы начли эффективно работать гидрофобные взаимодействия, и тогда бы белок свернулся как это происходит с нативной молекулой.

«В настоящее время есть исследования посвященные ретро-формам белков, но направленность таких исследований более технологическая», — рассказывает заведующий лабораторией, доктор физико-математических наук Кутышенко Виктор Павлович. «При этом чисто академический интерес ушел на второй план. Но вопрос, по какой причине одно и то же количество и качество аминокислот, составляющие полипептидную цепь, становятся совершенно разными, если обратить их последовательность, остается интригующим. Мы показываем, что внутримолекулярная динамика исходного белка и его ретро-формы совершенно различна и возможно именно это является тормозом для сворачивания белка».

В своих дальнейших работах, посвященных изучению такого перспективного антибактериального агента как эндолизин бактериофага Т5, авторы исследования возлагают большие надежды на разработку способов адресной доставки лекарственного средства к месту активности микроорганизмов.

Работа поддержана грантом РФФИ, № 14-44-03573 и грантом правительства Московской области.

Источник: Kutyshenko VP, Mikoulinskaia GV, Molochkov NV, Prokhorov DA, Taran SA, Uversky VN. Structure and dynamics of the retro-form of the bacteriophage T5 endolysin. Biochim Biophys Acta. 2016 Oct;1864(10):1281-91. doi: 10.1016/j.bbapap.2016.06.018.

Материал подготовила пресс-секретарь ИТЭБ РАН Татьяна Перевязова (iteb-press@yandex.ru)