Исследователи в Университете Пенсильвании разрабатывают подобную технологию, чтобы получить атомную резолюцию «фильмы», которые отслеживают, как сгиб белков и изменение формируют. Чтобы произвести эти фильмы, ученые маркируют белок исследованиями во многих положениях и наблюдают движение тех этикеток. Данные о флюоресценции по относительным положениям исследований могут тогда использоваться, чтобы построить вычислительные модели структуры белка в атомных деталях. Это исследование могло привести к улучшениям наркотиков, используемых, чтобы лечить нейродегенеративные заболевания, а также новые методы отображения, которое могло привести к их более раннему обнаружению.
Исследование было мультидисциплинарным усилием во главе с Э. Джеймсом Петерссоном, адъюнкт-профессором химии в Школе Пенна Искусств и Наук и аспиранта Джека Ферри. Элизабет Рхоудес и Зэхра Фэхрэйи, оба адъюнкт-профессора химии в Пенне, а также Абхинэве Нэте из Вашингтонского университета, Сиэтл; студент Пенна Джимин Иун; постдокторант Конор Хэни; и аспиранты Буйан Пэн и И-Чих Лин также способствовали исследованию. Работа была опубликована в Биофизическом Журнале.
«Один из больших фундаментальных вопросов в биохимии – то, как белки сворачиваются в определенную форму», сказал Петерссон, «и это диктует последовательность аминокислот в белке. Информация во всех взаимодействиях цепей стороны аминокислоты так или иначе приводит к нему сворачивающийся в надлежащую форму».В здоровых сценариях Петерссон сказал, что надлежащая форма позволяет белку иметь различные функции, такие как транспортировка кислорода в крови или становлении «молекулярными машинами», которые в конечном счете приводят к мышечным движениям, таким как требуемые для ходьбы и управления.
Но в состояниях определенной болезни, особенно при нейродегенеративных заболеваниях, таких как болезнь Альцгеймера и болезнь Паркинсона, белки, misfold в нездоровую форму, которая может заставить многочисленные копии белков соединяться в «подобные спагетти путаницы или длинные волоконца». Эти волоконца, Петерссон сказал, токсичны к нейронам, который лежит в основе болезни Альцгеймера и болезни Паркинсона.«Так как все они включают белок, сворачивающийся в определенную форму, тогда что мы хотели бы сделать, должен отследить изменения в форме белков», сказал он. «Есть много различных методов, которые могут использоваться, чтобы сделать это, но нам нравится флюоресценция, потому что Вы можете приобрести данные о флюоресценции достаточно быстро, что Вы можете на самом деле наблюдать, что белки сворачиваются в режиме реального времени.
В конечном счете мы хотели бы попытаться наблюдать белки, сворачивающиеся в клетках».Чтобы получить информацию о форме белка, используя флуоресцентные исследования, исследователи используют технику, названную энергетической передачей резонанса флюоресценции, которая требует, чтобы они измерили много расстояний между различными пунктами на белке и затем использовали ту информацию, чтобы понять ее форму, подобную технологии захвата движения.В данной статье исследователи сделали приблизительно 30 измерений различных расстояний в альфе-synuclein белка под различными государствами, где это изменяет форму.
Они тогда использовали ту коллекцию измерений расстояния в сочетании со сложным вычислительным моделированием, чтобы получить атомные структуры резолюции формы белка.Ferrie получил товарищество от Фонда болезни Паркинсона, чтобы провести лето в лаборатории Дэвида Бейкера в Вашингтонском университете, где Розетта, одна из обычно используемых программ для моделирования белков, была развита.«Розетта разработана, чтобы смоделировать стабильные хорошо свернутые белки», сказал Петерссон, «не приведенные в беспорядок белки, которые могут изменить форму, таким образом, Джек должен был сделать большое переписывание кодекса сам, чтобы быть в состоянии смоделировать эти непослушные белки».
Ferrie и Yoon сделали ряд экспериментальных измерений, которые могли использоваться, чтобы направить белок, сворачивающийся, чтобы согласовываться с экспериментальными измерениями, которые позволили ему образцовой форме белка.Так как это был новый подход, исследователи хотели продемонстрировать, что структуры, выходящие из вычислительных моделей, согласовывались с действительностью. Чтобы сделать это, они провели три типа экспериментов, чтобы согласовать реальные данные с моделями, выходящими из этих экспериментов флюоресценции.Они сотрудничали с группой Рхоудеса, чтобы утвердить смоделированные структуры, используя единственные измерения флюоресценции молекулы, сделанные Пэном.
Работание в группе Фэхрэйи, Лин, использовало другой тип техники, названной атомной микроскопией силы к изображению белок, и утвердите модели. Крис Добсон, преподаватель химии в Кембриджском Университете, разделил ядерные данные о магнитном резонансе об альфе-synuclein, которая обеспечила дальнейшее подтверждение точности компьютерных моделей.Бумага представляет одну из крупнейших библиотек белков, маркированных синтетическим продуктом fluorophores, все же сообщил. По словам Петерссона, исследователи должны были сделать много измерений расстояния по различным областям белка, чтобы иметь достаточно данных, чтобы произвести вычислительные модели.
Ferrie и Хани должны были придумать оптимизированный подход к приложению различных наборов исследований, которые будут функционировать в различных диапазонах расстояния.Исследователи теперь работают, чтобы применить эту технику к образцовой структуре белка в соединенных формах, которые токсичны к нейронам и смоделировать ее ответ на наркотики, которые заставили бы его изменять форму, предотвратив это скопление.«Способность наблюдать белок, поскольку это изменяет форму», сказал Петерссон, «и на самом деле вытащить структуры из этого, является действительно важной целью фундаментальной науки, которой мы работали для в течение 10 лет.
Были некоторые очень впечатляющие прорывы в получении структур белков при нейродегенеративных заболеваниях, но у метода флюоресценции есть потенциал, чтобы сделать это в живых клетках, которые ни у какой другой техники нет способности сделать».По словам Петерссона, белки, принимающие многократные формы, складывая различные копии друг на друга и соединение, как они делают при нейродегенеративных заболеваниях, являются важной основной проблемой биохимии, которой не могут действительно заняться другие структурные методы биологии. У лучшего понимания того, как это работает и что те формы, есть потенциал, чтобы оказать влияние на болезни, такие как болезнь Паркинсона и дать исследователям возможность выяснить, как препарат или диагностические модели взаимодействуют с белком.
«Мы работаем над способностью произвести образцовые структуры, которые на самом деле показывают то, что является эффектом этих наркотиков», сказал Петерссон. «Мы берем белок с флуоресцентными этикетками, добавляем препарат, позволяем белку изменять форму, делать измерения флюоресценции и затем забирать тех к вычислительному моделированию, таким образом, мы можем на самом деле видеть структурный эффект этих наркотиков. Надо надеяться, это приведет к большему количеству рационального понимания так, чтобы лучшие наркотики третьего поколения и второго поколения могли быть сделаны».
Исследователи также сотрудничают с Робертом Маком, профессором Шанса Бриттона Рентгенологии в Медицинской школе Перельмана Пенна. Группа Мака интересуется развивающимися исследованиями отображения томографии эмиссии позитрона, которые могут использоваться, чтобы связать с соединенными формами белков и изображения их в пациентах.
«Есть некоторые многообещающие наркотики для того, чтобы лечить нейродегенеративные заболевания, такие как болезнь Альцгеймера и болезнь Паркинсона, которая могла заблокировать это формирование совокупностей», сказал Петерссон, «но проблема состоит в том, что, к тому времени, когда люди показывают познавательный или симптомы моторной дрожи, слишком поздно, чтобы использовать эти наркотики, потому что уже есть слишком много нейродегенерации. Если Вы получаете совокупности в мозгу, даже если Вы не показываете изменений в поведении или изучаете дефициты, эти исследования могли неагрессивно изображение совокупности.
Достигая рационального понимания того, какова структура белка, мы надеемся, что можем помочь с той работой продвижению».