211service.com
Het meten van de vorm van eiwitten is nu nog eenvoudiger geworden dankzij wiskunde
eiwit structuur Analyses van eiwitkernen onthullen fundamentele verschillen tussen oplossings- en kristalstructuren
Eiwitten zijn de bouwstenen van het leven. Het zijn lange ketens van aminozuren die zichzelf assembleren tot moleculaire machines van buitengewone complexiteit. Deze machines omvatten computerapparatuur die ribosomen worden genoemd, steigerskeletten die microtubuli worden genoemd en beenachtige loopmachines die kinesine worden genoemd, naast vele andere.
Dit proces van zelfassemblage is een van de grote wonderen van de moderne wetenschap - bijna alsof een ketting van Legoblokjes plotseling zou worden samengevoegd tot een robot. Niemand weet precies hoe dit gebeurt, maar wetenschappers weten wel dat de vorm van de resulterende structuur de functie van het eiwit bepaalt en hoe het interageert met andere eiwitten.
Het meten van de vorm van eiwitten is dus een cruciale taak. De meest gebruikelijke methode is om kristallen te vormen uit eiwitten en vervolgens röntgenkristallografie te gebruiken om de eiwitstructuur te bepalen.
Dat is een probleem omdat de meeste eiwitten geen kristallen vormen. En zelfs als ze dat wel doen, nemen de eiwitmoleculen mogelijk niet allemaal dezelfde vorm aan als ze opeengepakt raken, wat tot onnauwkeurigheden leidt.
Een andere techniek, nucleaire magnetische resonantie genaamd, creëert afbeeldingen van eiwitten in oplossing, maar vereist dat ze stevig in bundels worden verpakt. Nogmaals, slechts een paar eiwitten kunnen dit.
Met beide technieken kan echter een klein deel van de eiwitten in beeld worden gebracht. Dat is handig omdat moleculair biologen de structuren die elke techniek produceert kunnen vergelijken.
En het blijkt dat de structuren die door elke techniek worden gevonden op significante manieren verschillen. Maar het is niet precies duidelijk wat de verschillen veroorzaakt en hoe ze te interpreteren.
Vandaag verandert dat, althans gedeeltelijk, dankzij het werk van Zhe Mei en collega's aan de Yale University in New Haven. Dit team heeft het verschil in de eiwitstructuur gemeten, bepaald met röntgenkristallografie en NMR. En ze hebben uitgezocht waarom het verschil ontstaat en hoe ze het kunnen corrigeren.
Het team begon met het samenstellen van een database van eiwitten met structuren die door beide technieken met hoge resolutie zijn bepaald. Dat blijkt een relatief kleine lijst te zijn - slechts 16 eiwitten passen in de rekening.
De onderzoekers creëerden ook een database met eiwitstructuren van röntgenkristallografie, bepaald door verschillende groepen bij verschillende temperaturen. Hierdoor kon het team bestuderen hoe temperatuur de structuur beïnvloedt.
Vervolgens creëerden ze een wiskundig model van de manier waarop eiwitten zich samenpakken om ofwel vaste kristallen ofwel bundels in oplossing voor NMR te vormen.
Het blijkt dat de pakkingsdichtheid het verschil in structuur voor beide technieken precies kan verklaren, de bundels in oplossing hebben een hogere dichtheid dan kristallen. We identificeren de fysieke basis voor deze verschillen door eiwitkernen te modelleren als vastgelopen pakkingen van aminozuurvormige deeltjes, zeggen de onderzoekers.
Ze kunnen hun wiskundig model ook verfijnen door de thermische energie die wordt gebruikt om de pakkingen te genereren, te variëren. Inderdaad, eiwitverpakking die niet wordt beïnvloed door temperatuur heeft ongeveer dezelfde dichtheid als structuren bepaald door röntgenkristallografie
Dit suggereert dat temperatuur een belangrijke rol speelt in de eiwitverpakkingsstructuur, aangezien structuren bepaald door NMR dichter zijn. Deze resultaten geven aan dat thermische systemen dichter kunnen worden verpakt dan athermische systemen, wat een fysieke basis suggereert voor de structurele verschillen tussen eiwitstructuren die zijn opgelost door NMR en röntgenkristallografie, zeggen Mei en co.
Temperatuur is echter niet het hele verhaal. Eiwitten in kristalstructuren worden gedwongen een bepaalde vorm aan te nemen, en dit vermindert de hoeveelheid thermische vervorming die het molecuul kan ondergaan.
Dus het resultaat van Mei en co roept een interessante vraag op: in hoeverre is de eiwitstructuur het resultaat van temperatuur of het resultaat van kristalverpakking?
Dat zal moeten wachten op verder werk.
Referentie: arxiv.org/abs/1907.08233 : Analyses van eiwitkernen onthullen fundamentele verschillen tussen oplossings- en kristalstructuren