包括MIPT研究人員在內(nèi)的國(guó)際團(tuán)隊(duì)已經(jīng)證明，碘化物定相 - 結(jié)構(gòu)生物學(xué)中一項(xiàng)歷史悠久的技術(shù) - 普遍適用于膜蛋白結(jié)構(gòu)測(cè)定。了解這些結(jié)構(gòu)可以分子水平地理解視力和嗅覺(jué)的運(yùn)作，以及神經(jīng)和心血管系統(tǒng)。

該研究的作者發(fā)表在Science Advances上，將碘化物定相的既定方法應(yīng)用于代表不同類別的四種膜蛋白，并發(fā)現(xiàn)碘化物(碘離子)以相同的方式與所有四種相互作用。這意味著該方法可以成功地揭示對(duì)藥劑學(xué)至關(guān)重要的新蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。因?yàn)榈饣锒ㄏ嗳菀浊铱焖伲梢约铀儆?jì)算機(jī)輔助藥物開(kāi)發(fā)并使其更便宜。

膜蛋白：細(xì)胞的海關(guān)服務(wù)

眾所周知，所有生物都是由細(xì)胞組成的。構(gòu)成任何生物體的細(xì)胞具有共同的結(jié)構(gòu)。特別地，所有細(xì)胞都被保護(hù)性細(xì)胞膜包圍，所述保護(hù)性細(xì)胞膜阻斷大多數(shù)物質(zhì)的分子通過(guò)。通過(guò)膜封閉，細(xì)胞可以保持復(fù)雜生化過(guò)程平穩(wěn)運(yùn)行所必需的內(nèi)部條件。然而，細(xì)胞的存活還取決于其監(jiān)測(cè)外部環(huán)境變化并對(duì)其作出反應(yīng)的能力。這就是為什么每個(gè)細(xì)胞的基因組編碼數(shù)百種特殊蛋白質(zhì)，這些蛋白質(zhì)負(fù)責(zé)細(xì)胞與周圍環(huán)境的相互作用。由于這些蛋白質(zhì)嵌入細(xì)胞膜中，因此它們被稱為膜蛋白質(zhì)。它們的另一個(gè)功能是允許分子進(jìn)入被膜細(xì)胞阻斷的細(xì)胞，但仍然是營(yíng)養(yǎng)或生化反應(yīng)所必需的。

結(jié)構(gòu)生物學(xué)的最大突破與1953年Watson和Crick的諾貝爾獎(jiǎng)獲得的DNA雙鏈結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)有關(guān)。兩位科學(xué)家創(chuàng)造的優(yōu)雅模型基于他們的同事Rosalind Franklin先前進(jìn)行的結(jié)構(gòu)研究。 。DNA分子(又稱雙螺旋)的雙鏈結(jié)構(gòu)成功地解釋了細(xì)胞間遺傳信息的轉(zhuǎn)移，為現(xiàn)代生物學(xué)奠定了基礎(chǔ)。

晶體學(xué)是結(jié)構(gòu)生物學(xué)的主要方法。它使研究人員能夠以原子分辨率闡明生物分子(通常是蛋白質(zhì))的結(jié)構(gòu)。這種精確性意味著不僅可以在基礎(chǔ)水平上研究蛋白質(zhì)操作，而且可以使用物理定律模擬蛋白質(zhì)行為。

晶體學(xué)很大程度上依賴于衍射的物理現(xiàn)象。收集衍射數(shù)據(jù)，蛋白質(zhì)晶體暴露于X射線束。由于晶體中的分子處于高度有序的構(gòu)型，因此X射線束衍射到多個(gè)方向，其強(qiáng)度被放大了許多倍。然后可以拾取這些衍射光束并將其解釋為信號(hào)，從而測(cè)量它們的強(qiáng)度。但是，只有給定方向的平均信號(hào)值可用，并且部分信息丟失。這被稱為相位問(wèn)題：丟失的相位，即一個(gè)信號(hào)相對(duì)于另一個(gè)信號(hào)的延遲，是使用衍射數(shù)據(jù)確定分子結(jié)構(gòu)所必需的。拾取缺乏相位的信號(hào)有點(diǎn)像查看彩色圖像的黑白副本 - 您可以感知每個(gè)點(diǎn)的強(qiáng)度，但顏色不存在，因此大部分信息都丟失了。

Phase recovery

由于已經(jīng)解決了許多晶體結(jié)構(gòu)，因此可以使用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)在新分子的研究中恢復(fù)丟失的相。這涉及從已知結(jié)構(gòu)推斷階段并手工精煉它們。然而，這種方法通常不會(huì)產(chǎn)生令人滿意的結(jié)果，特別是在膜蛋白典型的低分辨率數(shù)據(jù)或完全不像任何已解決的任何結(jié)構(gòu)的新結(jié)構(gòu)的情況下。因此，通常優(yōu)選使用不同的技術(shù)來(lái)處理這些晶體。它基于異常衍射現(xiàn)象，即由重元素如碘，釓，溴和有時(shí)硫磺產(chǎn)生的衍射信號(hào)中的某種不對(duì)稱性。為了使該方法起作用，重元素需要與蛋白質(zhì)分子強(qiáng)烈結(jié)合在水晶中。這確保了它們的原子與蛋白質(zhì)分子本身一樣嚴(yán)格有序，以產(chǎn)生強(qiáng)烈的衍射信號(hào)。通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)找到正確的重元素通常需要很長(zhǎng)時(shí)間，并且許多有價(jià)值的蛋白質(zhì)晶體在此過(guò)程中被耗盡。

研究人員表明，如果用溶液中的碘離子處理膜蛋白，異常散射可以保證有效。這可以通過(guò)自然界中存在的每種膜蛋白的共同特征實(shí)現(xiàn)：它們都以這樣的方式構(gòu)造，即膜 - 溶液界面上有額外的正電荷，補(bǔ)償膜表面上的負(fù)電荷。碘化物與這些電荷強(qiáng)烈相互作用，并被選擇性地吸引到稱為結(jié)合位點(diǎn)的蛋白質(zhì)上的非常特定的點(diǎn)，確保實(shí)驗(yàn)階段恢復(fù)的成功。

“在我們的研究中，我們展示了早期研究中已知的四種蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的成功解決方案。來(lái)自不同生物體的蛋白質(zhì)如下：來(lái)自海洋細(xì)菌Krokinobacter eikastus的光驅(qū)鈉泵，片段來(lái)自大腸桿菌細(xì)菌的組氨酸激酶，一種人腺苷受體，以及來(lái)自海洋放線菌分支的質(zhì)子泵。從四種結(jié)構(gòu)中的每一種，可以看出碘離子實(shí)際上與那里的帶正電荷的氨基酸結(jié)合。蛋白質(zhì)從膜上突出。與有時(shí)用于解決相位問(wèn)題的溴化物相比，碘化物更可靠，在衍射測(cè)量中提供更高的精確度，“歐洲同步輻射裝置的Igor Melnikov說(shuō)，該研究的第一作者，MIPT畢業(yè)生。