Химики университета Вандербильта создали в лаборатории самый длинный в мире искусственный белок. Предыдущий рекордсмен был в два раза короче: 106 аминокислот против 242 на этот раз.
Однако учёные гнались не за рекордом. Их интересовала сама возможность синтеза таких длинных белков, так как крупные белки (в отличие от маленьких) могут выполнять более сложные функции.
В природе существуют сотни тысяч белков, выполняющих массу различных функций. Они имеют разные состав и форму, сходство у них одно - все состоят из 20 основных аминокислот.
Сборка белка в организме происходит в два этапа. Сначала соседние аминокислоты складываются в так называемые вторичные структуры, например, в похожие на палочки α-спирали и плоские β-листы. Эти вторичные структуры затем взаимодействуют и собираются в трёхмерные формы, которые и определяют свойства белков.
Работа в лаборатории отличается от природных механизмов. Сначала химики "скармливают" программному обеспечению законы физики и химии, согласно которым аминокислоты собираются в белки, затем выбирают из полученных структур наиболее стабильную и с нужными функциями и лишь потом создают её в пробирке. Такой синтез специалисты называют in silico.
За последние десять лет было синтезировано огромное количество белков, не существующих в природе, но возможности химиков ограничены вычислительными мощностями компьютеров. Ведь, чтобы создать белок на компьютере, необходимо перебрать миллиарды комбинаций (каждая аминокислота занимает каждое возможное место). Затем программа просчитывает, какова стабильность полученной молекулы. Чем длиннее белок, тем больше вычислений.
"На сегодняшний даже самые быстрые суперкомпьютеры не способны обработать данные более чем по 120 аминокислотам", - рассказывает руководитель нынешней работы профессор Дженс Мейлер (Jens Meiler). Однако его команда придумала, как обойти это ограничение, взяв пример с природы.
Симметричные структуры обсчитывать легче, решили химики и создали в виртуальной реальности димер – молекулу, состоящую из двух идентичных половинок. Программное обеспечение научили учитывать симметрию, и в результате расчёт стабильной структуры на 400 процессорах суперкомпьютера университета Вандербильта занял "всего" 10 дней.
После этого учёные синтезировали необходимую последовательность ДНК и внедрили её в геном бактерии E.coli. Дальнейший анализ показал, что микроорганизм произвёл нужный белок.
Полученную молекулу назвали FLR. Она представляет собой один из возможных вариантов белка, который используется организмом для производства важной аминокислоты гистидина.
В статье, опубликованной в Journal of American Chemical Society, химики пишут, что белок состоит из восьми β-листов, окружённых восемью α-спиралями, всё это богатство собрано в гексагональную структуру, похожую на маленькую бочку.
При помощи рекордсмена учёные планируют создать более длинные искусственные функциональные белки с формами, не существующими в природе. Это в свою очередь поможет синтезировать более эффективные антитела и вакцины для борьбы с различными вирусными инфекциями.
