Пресс-центр / новости / Наука /

Липидные мембраны в частицах радиусом 3 нанометра

Мембранные белки очень важны для работы клеток человека, однако, их пространственная структура на настоящий момент достаточно плохо изучена, потому что такие белки требуют специального окружения, имитирующего мембрану клетки. В ИБХ РАН пространственные структуры мембранных белков исследуют в Лаборатории биомолекулярной ЯМР-спектроскопии, используя один из мощнейших методов структурной биологии - спектроскопию ЯМР. Коллектив под руководством с.н.с. лаборатории Константина Минеева в серии работ исследовал структуру и свойства бицелл, одной из мембраноподобных сред, а также разработал новые составы, с помощью которых можно изучать мембранные белки с большими водорастворимыми доменами и отслеживать влияние состава мембраны на поведение мембранного белка.

Мембранные белки очень важны для работы клеток человека. Они отвечают за такие процессы, как транспорт веществ и передача информации из клетки и в клетку, передача нервного импульса, восприятие света и различных химических веществ и многие другие. Около половины мишеней современных лекарств являются именно белками клеточных мембран. При этом, для поиска новых лекарств, очень важно понимать, как устроена мишень, какова её пространственная структура, а структура мембранных белков достаточно плохо изучена - в базе данных PDB (база пространственных структур белков) менее 10% записей относятся к белкам этого типа. Это связано с рядом экспериментальных трудностей, возникающих при работе с такими белками. В первую очередь с тем, что белок нужно поместить в некий аналог клеточной мембраны, при этом стандартные системы вроде гигантских липидных везикул (липосом) не подходят, поскольку ни один из трех основных методов исследования пространственной структуры макромолекул не может работать с такими объектами. Поэтому для нужд структурной биологии ученые разработали специальные мембраноподобные среды - мицеллы, бицеллы, нанодиски и амфиполы (см. рисунок 1).

Рисунок 1. Мембраноподобные среды.

Все перечисленные среды в водном растворе могут образовывать частицы малого размера (радиусом от 2 до 6 нм), и каждая имеет свои преимущества и недостатки. Мицеллы - сферические частицы из молекул детергента, характеризуются самым малым размером, однако, меньше всего похожи на клеточную мембрану. Поверхность мицелл сильно изогнута, а детергенты взаимодействуют не только с внутримембранными частями белка, но и с теми участками, которые по идее должны находиться в водном растворе. Это приводит к потере активности белка, и, что самое неприятное, может поменять его пространственную укладку. Нанодиски - частицы, которые содержат участок липидной мембраны, окруженный поясом из специального белка MSP или полимера SMA (styrene maleic acid co-polymer). Среды на основе нанодисков очень близки по свойствам к мембранам клеток, но эти частицы имеют уже заметно больший размер (радиус от 4 нм). Бицеллы - дисковидные частицы, которые образуются в смесях липидов и детергентов, являются компромиссным вариантом, поскольку в теории содержат участок липидного бислоя. При этом размер частиц бицелл может варьироваться в широком диапазоне, начиная от 2.5 нм. Однако, до последнего времени было неясно, существует ли в действительности в бицеллах фрагмент мембраны.

В ИБХ РАН пространственные структуры мембранных белков исследуют в Лаборатории биомолекулярной ЯМР-спектроскопии под руководством проф. Александра Арсеньева, используя один из мощнейших методов структурной биологии - спектроскопию ЯМР. Очевидно, что изучение мембраноподобных сред является неотъемлемым направлением этих исследований и им посвящено достаточно много усилий. Так, небольшой коллектив лаборатории (Гончарук С.А., Надеждин К.Д., Кот Э.Ф., Брагин П.Е., Бочарова О.В.) под руководством с.н.с. Константина Минеева в серии работ исследовал структуру и свойства бицелл, а также разработал новые составы, с помощью которых можно изучать мембранные белки с большими водорастворимыми доменами и отслеживать влияние состава мембраны на поведение мембранного белка. Стоит отметить, что исследовать частицы размером 2-4 нанометра не так уж и просто: их не видно даже в электронный микроскоп. Поэтому, ученые предложили использовать для этих целей коэффициенты диффузии, которые можно получить при помощи ЯМР. Эти коэффициенты достаточно просто конвертируются в радиусы частиц, для которых можно предположить теоретическую зависимость от соотношения липид/детергент. Соответствие экспериментальных параметров теоретическим и может являться критерием "правильности" бицелл [1]. В качестве второго критерия было предложено отслеживать фазовые переходы липидов. Все липидные мембраны при определенной температуре переходят из "жидкого" жидкокристаллического состояния в "твердое" гелевое. Коллективу ученых удалось разработать метод детекции фазовых переходов в бицеллах, а также изучить зависимость температуры перехода от параметров изучаемых смесей [2]. Как оказалось, даже самые маленькие частицы содержат участок липидного бислоя, который подвержен фазовым переходам. При этом многие параметры фазовых переходов в "настоящих" липидных бислоях полностью или частично воспроизводятся в бицеллах. Используя два указанных критерия ученые изучили сотни различных смесей липид/детергент и установили, какие составы можно использовать для того, чтобы изучать, как свойства мембраны влияют на свойства белка [3]. В частности, удалось разработать методику для измерения энергии взаимодействия между мембранными белками в бицеллах. Используя данную методику, ученые смогли показать, как толщина мембраны влияет на образование димеров одного из рецепторов фактора роста эпителия (ErbB4) [4].

Наконец, важной проблемой, с которой сталкиваются ученые при использовании бицелл, является способность детергентов нарушать структуру водорастворимых частей мембранных белков. Широко применяемые составы бицелл не подходят для изучения белков с крупными водорастворимыми доменами. Константин Минеев с коллегами предложили использовать для приготовления бицелл специальные сверхмягкие детергенты - сложные молекулы на основе холиевой кислоты под общим названием Facade (Рисунок 2). Как оказалось, эти детергенты способны формировать бицеллы высокого качества - с выраженными фазовыми переходами и идеальной зависимостью размера от состава смесей [5].

Рисунок 2. Сверхмягкие детергенты для бицелл.

Работа ученых опубликована в пяти научных статьях и была поддержана грантом РНФ (14-14-00573). Нобелевский лауреат по химии 2002 года Курт Вютрих во время своего визита в ИБХ РАН отдельно отметил важность данного исследования для структурной биологии. Коллектив получил широкий набор инструментов для изучения влияния состава мембраны на поведение мембранного белка, пригодных для различных физико-химических методов, а также разработал полный набор практических указаний для приготовления бицелл и работы с ними.

  1. Mineev KS, Nadezhdin KD, Goncharuk SA, Arseniev AS (2016). Characterization of Small Isotropic Bicelles with Various Compositions. Langmuir 32 (26), 6624–6637
  2. Kot EF, Goncharuk SA, Arseniev AS, Mineev KS (2018). Phase Transitions in Small Isotropic Bicelles. Langmuir 34 (11), 3426–3437
  3. Kot EF, Arseniev AS, Mineev KS (2018). Behavior of Most Widely Spread Lipids in Isotropic Bicelles. Langmuir 34 (28), 8302–8313
  4. Bragin PE, Kuznetsov AS, Bocharova OV, Volynsky PE, Arseniev AS, Efremov RG, Mineev KS (2018). Probing the effect of membrane contents on transmembrane protein-protein interaction using solution NMR and computer simulations. BIOCHIM BIOPHYS ACTA 1860 (12), 2486–2498
  5. Mineev KS, Nadezhdin KD, Goncharuk SA, Arseniev AS (2017). Façade detergents as bicelle rim-forming agents for solution NMR spectroscopy. Nanotechnol Rev 6 (1), 93–103

13 ноября