Российские ученые изучили разнообразие белковых роторов
Ранее, для расшифровки структур белков использовали сложные и дорогостоящие экспериментальные методы. Исследователи из МФТИ предложили новый подход для предсказания структур больших белковых комплексов. Метод опробовали для предсказания свойств ферментов АТФ-синтаз, ключевых для энергетики любой живой клетки.
Работа опубликована в журнале PROTEINS: Structure, Function, and Bioinformatics. АТФ-синтаза использует потенциал на мембране для синтеза молекул аденозинтрифосфата (АТФ) — универсального «топливного элемента» живых систем. Этот фермент можно сравнить с электрическим мотором: у него есть неподвижная часть — статор и вращающаяся — ротор, который также называют с-кольцо. Ионы, переносимые АТФ-синтазой через мембрану, способствуют вращению ротора и синтезу АТФ статором. Сам ротор состоит из повторяющихся частей (с-субъединиц), количество которых и определяет, сколько ионов будет проходить через мембрану за один оборот и какого потенциала достаточно для работы белка.
Известны АТФ-синтазы, содержащие от восьми до 17 с-субъединиц. рентгеновскую кристаллографию или крио-электронную микроскопию. Однако развитие методов машинного обучения привело к созданию ряда прорывных подходов, в том числе и для предсказания белковых структур. Разработчики наиболее известного из них — AlphaFold — в 2024 году были удостоены Нобелевской премии по химии. При этом обычный AlphaFold не очень хорошо работает с большими белковыми комплексами, к которым относятся и АТФ-синтазы.
В своей работе исследователи из МФТИ предложили новый подход на основе AlphaFold, который позволил уверенно предсказывать количество субъединиц в белковых комплексах с вращательной симметрией. Для известных данных корреляция между предсказанием и экспериментальными значениями превзошла 90 процентов. Более того, подход оказался очень быстрым, благодаря чему стало возможно оценить количество субъединиц в АТФ-синтазах очень разных живых организмах.
«Самое неожиданное в наших результатах — это предсказание существования в природе микроорганизмов с очень крупным с-кольцом у АТФ-синтаз, в котором может быть до 27 повторяющихся субъединиц! Ранее в экспериментах ученые находили максимум 17 с-субъединиц. Что важно, моделирование методом молекулярной динамики подтверждает результаты этих предсказаний», — говорит Степан Осипов, первый автор опубликованной работы, аспирант Физтех-школы физики и исследований имени Ландау МФТИ.
Зачем природе нужны такие необычно большие с-кольца, если более «стандартные» роторы также демонстрируют высокую эффективность? Ответ на этот вопрос тесно связан с тем, в каких условиях обитают эти организмы. Возможно, они существуют при высоких температурах или в агрессивных средах, в которых постоянно теряют ионы через свои мембраны. Или дело может быть в малом энергетическом потенциале на мембране — тогда высокая кратность повторений в с-кольце призвана лучше «ловить» редкие протоны или ионы натрия. Подобные крупные роторы «потратят» больше протонов за один оборот, но позволят синтезировать АТФ при значительно меньших трансмембранных потенциалах. Чтобы проверить эти предположения, потребуются уже экспериментальные исследования реальных микроорганизмов, у которых по расчетам должны быть такие необычные с-кольца АТФ-синтаз.
«Это также означает, что для многих областей биотехнологии открываются новые возможности. К примеру, если научиться конструировать молекулярные “двигатели” с заданными параметрами, можно целенаправленно подстраивать эффективность энергетического обмена в клетках, создавать микроорганизмы для производства различных соединений в условиях, где традиционные штаммы не выживают», — комментирует Алексей Власов, старший научный сотрудник, и.о. заведующего лаборатории молекулярной клеточной биологии и оптогенетики МФТИ.
«Наша работа подсвечивает важность вычислительных алгоритмов на основе машинного обучения и искусственного интеллекта в современной структурной биологии, а также открывает новые возможности для поиска интересных белков в геномных данных и инженерии новых белков с заданными свойствами», — подытоживает Иван Гущин, исполнительный директор Центра исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ.
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда и Министерства науки и высшего образования России.
Telegram 
Дзен 
VK Древнеримские инженеры проложили колоссальную сеть дорог через Европу, Северную Африку и Ближний Восток, многие участки которой до сих пор поражают безупречной прямолинейностью. Секрет строительства заключался в использовании трех особых геодезических инструментов, с помощью которых разбивали местность на ровные отрезки и размечали трассы.
Самый маленький дневной хищник Африки впервые попал под наблюдение с помощью GPS-трекеров. Ученые выяснили, что для выкармливания птенцов ему нужен участок почти в 14 раз меньше, чем у степной пустельги — ближайшего «рекордсмена» среди изученных птиц.
В вакууме космоса два металлических предмета, прижатые друг к другу, могут спонтанно свариться без какого-либо нагрева. Из-за отсутствия кислорода на поверхностях деталей разрушается защитный слой, в результате чего свободные электроны начинают мгновенно перемещаться между ними и соединяют два элемента в один монолит.
Вселенная может оказаться «замкнутой» глобальной структурой, где свет от далеких галактик способен возвращаться к наблюдателю с разных направлений. Именно такой сценарий не удалось исключить авторам нового масштабного обзора. Проверить его предсказания астрономы смогут уже в ближайшие годы.
Американские ветеринары установили, что длина шага передних лап у пожилых собак отражает возрастные изменения в работе мозга. Когда у собак развивается деменция, шаги их передних лап становятся короче, причем эта связь не зависит от хронической боли в суставах.
Терраформировать Марс — то есть превратить в мир, где можно жить без защитных куполов — мечта человечества с того момента, как стало понятно, что это холодная планета с призрачной бескислородной атмосферой. Сейчас главный хедлайнер ее освоения — Илон Маск, компания SpaceX которого планирует первые полеты туда уже в 2028 году. Многие энтузиасты вспоминают слова Маска 14-летней давности: Красную планету надо лишь «подремонтировать», чтобы ходить без скафандра. Но между полетом и прогулками по городу-саду на Марсе лежит огромная пропасть. Пару лет назад Naked Science рассматривал положительный сценарий терраформирования. Пришло время подсчитать, сколько же лет и ресурсов потребуется.
Хотя длительность помех не превышала десяти секунд, это первый известный случай такого рода. Обычно спутникам не хватает мощности для создания радиосигналов той силы, что нужна для подобных помех.
Вселенная может оказаться «замкнутой» глобальной структурой, где свет от далеких галактик способен возвращаться к наблюдателю с разных направлений. Именно такой сценарий не удалось исключить авторам нового масштабного обзора. Проверить его предсказания астрономы смогут уже в ближайшие годы.
Ученые впервые на молекулярном уровне доказали, что обычная вода одновременно состоит из двух разных жидких состояний — более плотного и менее плотного, которые непрерывно сменяют друг друга. Раз молекулярная «двойственность» действительно существует, это подтверждает спорную 30-летнюю гипотезу. Новое открытие поможет, наконец, объяснить десятки «странных» физических аномалий воды, включая ее расширение при замерзании и парадоксальное изменение вязкости под давлением.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно