Ученые показали, что сложные белковые структуры могут формироваться и эволюционировать не случайно, а по ограниченному набору простых правил. Такой механизм помогает молекулам сохранять функциональность, несмотря на огромное число возможных вариантов сборки. Исследование провела команда из Университета имени Бен-Гуриона в Негеве. Работа опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)
Объектом исследования стал бактериоферритин — белковый комплекс, который отвечает за безопасное хранение железа в клетке. В отличие от более простых белков, он состоит из двух типов субъединиц, каждая из которых выполняет свою функцию. Теоретически такие элементы могут собираться тысячами способов, однако в природе наблюдается лишь ограниченное число конфигураций. Это указывает на существование структурных ограничений, направляющих сборку.
Два правила вместо хаоса
Исследователи использовали криоэлектронную микроскопию высокого разрешения и компьютерный анализ. В результате они выделили два ключевых принципа. Первый запрещает часть взаимодействий между субъединицами, автоматически исключая нефункциональные структуры. Второй — напротив, поощряет комбинации, которые сближают участки, отвечающие за окисление железа и перенос электронов. Это резко сокращает число возможных конфигураций, но сохраняет гибкость системы.
Ученые отмечают, что подобные ограничения действуют как правила трехмерной головоломки: вариантов много, но устойчивыми оказываются только те, которые соответствуют небольшому набору условий. Анализ белков из разных видов показал, что эти принципы сохраняются в ходе эволюции, что может свидетельствовать о более общем биологическом механизме формирования и функционирования сложных молекулярных систем.
Почему это важно для понимания происхождения жизни
Результаты дополняют другие исследования, показывающие, что даже простые белки могут обладать функциями и становиться основой для дальнейшей эволюции. Например, ранее было показано, что короткие синтетические белки из минимального набора аминокислот способны выполнять специфические биологические задачи, несмотря на свою простоту.
Кроме того, работы по ранней эволюции указывают, что древние белки могли быть значительно проще современных, но уже выполняли в клетке ключевые функции, постепенно усложняясь со временем.
По мнению авторов нового исследования, устойчивость сложных белковых систем может объясняться именно сочетанием простых правил и эволюционного отбора, а не жесткого внешнего контроля. В конце публикации один из авторов отметил, что хотя возможны тысячи вариантов сборки, реально работают лишь те, которые подчиняются небольшому набору ограничений — именно они обеспечивают стабильность и функциональность структуры.
Недавно ученые создали уникальные липидные нанодиски, способные распознавать вирусные белки. Они могут стать основой для вакцин от Эболы и ВИЧ. Подробнее — в материале Hi-Tech Mail.
Источник: hi-tech.mail.ru