Публікація Чому тепло вбиває клітини
Якщо температура підніметься вище за певний поріг, клітина колапсує і помре. Одне з найпростіших пояснень цього недоліку теплостійкості полягає в тому, що білки, необхідні для життя, - ті, які витягують енергію з їжі або сонячного світла, борються з вторгненими, знищують відходи і так далі - найчастіше мають неймовірно точну форму. Вони починаються з довгих ланцюжків, потім згортаються в спіралі та інші зміни, продиктовані їх послідовністю компонентів. Ці форми грають значної ролі у цьому, що вони роблять. Але коли все починає нагріватися, зв'язки, що підтримують структури білків, руйнуються: спочатку найслабші, а потім, коли температура піднімається, і сильні. Очевидно, руйнація білкової структури має бути смертельною, але донедавна точні подробиці того, як чи чому це вбиває перегріті клітини, були невідомі.
Паола Пікотті, біофізик, який керував дослідженням, пояснив, що ці експерименти вийшли зі старого, тернистого питання: чому деякі клітини виживають за високих температур, а інші вмирають. Бактерія Thermus thermophilus живе щасливо в гарячих джерелах і навіть побутових водонагрівачах, в той час як E. coli розпадається вже при 40 градусах Цельсія. Є сильні свідчення на користь того, що важливими є саме відмінності в стабільності білків кожного організму. Але вивчати поведінку білка, коли він ще знаходиться в живій клітині, це ідеальний спосіб зрозуміти його, і це дуже непросто. Виділення білка у пробірці дає лише часткові відповіді, тому що всередині організму білки з'єднуються разом, змінюючи хімію один одного або утримуючи один одного у потрібній формі. Щоб зрозуміти, що розпадається і чому, потрібно вивчати білки, поки вони впливають один на одиндруга.
Щоб вирішити цю проблему, команда вчених розробила важкий автоматизований робочий процес, в якому вони поділяють відкриті клітини і нагрівають їх вміст поетапно, випускаючи ферменти, що розрізають білки, в суміші поетапно. Ці ферменти особливо хороші при нарізанні розгорнутих білків, тому дослідники змогли визначити, за якої температури відмовляв кожен фрагмент білків. Таким чином, вони зображують нерозгорнуту, або денатуруючу, криву для кожного з тисяч білків, що ними вивчаються, показуючи, як ці дуги переходять з інтактних структур при комфортних температурах в стан розпаду з підвищенням температури. Щоб побачити, як ці криві різняться у видів, вчені обрали чотири види – людей, E. coli, T. thermophilus та дріжджі.
«Це чудове дослідження», каже Аллан Драммонд, біолог університету Чикаго, відзначаючи масштаб і делікатність процесу.
Одне з очевидних спостережень у тому, що з кожного виду білки не розгорталися масово у разі підвищення температури. Натомість першими колапсували білки дуже невеликої підмножини, каже Пікотті, і це були найважливіші білки. Найчастіше ці білки були тісно пов'язані, тобто впливали на безліч процесів у клітині. «Без них клітина не може функціонувати, — каже Пікотті. — Коли вони йдуть, може зруйнуватися ціла мережа». І, мабуть, життя клітини.
Цей парадокс — деякі з найважливіших білків виявляються найбільш делікатними — може відбивати, як еволюція сформувала їх задля їхньої роботи. Якщо у білка багато ролей, він може отримати вигоду з нестабільності, виявившись рухливим до фолдингу та анфолдингу, тобто до згортання та розгортання, тому що це дозволить йому набувати багато різних форм залежно від мети.Багато з важливих білків мають підвищену гнучкість, що робить їх більш нестабільними, але при цьому гнучкими і здатними зв'язуватися з різними цільовими молекулами в клітині, пояснює Пікотті. Приблизно так вони здатні виконувати свої функції — це компроміс.
При найближчому розгляді E. coli, дані якої були найчистішими, вчені також виявили взаємозв'язок між достатком білка — того, скільки його копій плаває навколо клітини — і його стабільністю. Що більше копій робить клітина, то більше тепла потрібно, щоб розбити білок. Варто також відзначити, що достаток не завжди корелює із життєвою важливістю: деякі рідкісні білки також важливі. Цей зв'язок між достатком та стійкістю був представлений Драммондом на рівні ідеї ще десять років тому, коли він поставив під сумнів тенденцію клітинної машини робити випадкові помилки. Помилка зазвичай дестабілізує білок. Якщо цей білок поширений і виробляється сотнями чи тисячами у клітці щодня, тоді неправильно розгорнуті копії у великих кількостях могли стати фатальними для клітини. Організму було б до речі створювати версії звичайних білків із додатковою стабільністю, і ці команди Пікотті це відбивають.
Щоб дослідити, які якості забезпечують білок тепловою стійкістю, вчені порівняли дані з E. coli та T. thermophilus. Білки E. coli починають розпадатися за 40 градусів Цельсія і здебільшого розпадаються до 70 градусів. Але при цій температурі білкам T. termophilus щойно стає незатишно: деякі з них зберігають свою форму до 90 градусів Цельсія. Вчені виявили, що білки T. termophilus, як правило, короткі, а деякі види форм та компонентів з'являються частіше у найстабільніших білках.
Ці результати можуть допомогтидослідникам розробити білки зі стійкістю, ретельно налаштованою з їхньої потреби. У багатьох промислових процесах, які включають бактерії, підвищення температури збільшує врожай — але доти, доки бактерії не вмирають від тепла. Було б цікаво дізнатися, чи можемо ми стабілізувати бактерії, створивши кілька білків, які будуть більш стійкими до підвищення температури, каже Пікотті.
Крім всіх цих спостережень, велика кількість інформації про те, як розгортається кожен білок, приводить біологів у захват. Стабільність білка є прямим показником того, наскільки ймовірно, він утворює білкові агрегати: скупчення розгорнутих білків, які липнуть один до одного. Агрегати, які найчастіше є кошмаром для клітини, можуть втручатися у важливі завдання. Наприклад, їх пов'язують із деякими серйозними неврологічними станами, такими як хвороба Альцгеймера, коли бляшки денатурованих білків начиняють мозок.
Але це не означає, що агрегація відбувається тільки у людей, які страждають на цю хворобу. Навпаки, вчені розуміють, що це може відбуватися постійно, без очевидних джерел стресу, і що здорова клітина може впоратися з цим.
"Я думаю, це все частіше визнається поширеним явищем", каже Мішель Вендрусколо, біохімік з Університету Кембриджу. «Більшість білків насправді накопичуються у клітинному середовищі. Піккоті отримала важливу інформацію про проміжок часу, коли певний білок перебуває в нерозгорнутому стані. Цей проміжок визначає ступінь, з яким він накопичується».
Деякі білки майже ніколи не розвертаються і не накопичуються, інші роблять це за певних умов, треті роблять це постійно. Детальна інформація у новій роботі полегшує вивчення відмінностей у тому, чомувони взагалі є і що означають. Деякі криві денатурування навіть демонструють патерни, які свідчать, що білки накопичуються після розгортання.
Хоча багато вчених зацікавлені в агрегатах через шкоду, яку вони викликають, інші думають про це явище інакше. Драммонд каже, що стало очевидним, що деякі агрегати є не просто мішками зі сміттям, що плаває по клітці; швидше вони містять активні білки, які продовжують робити свою справу.
Уявіть, що ви бачите здалеку дим, що здіймається від будівлі. Все навколо нього - це форми, які ви приймаєте за тіла, витягнуті з уламків. Але якщо наблизитися, можна виявити, що це живі люди, які вирвалися з палаючої будівлі і чекають на швидку допомогу. Приблизно таке відбувається при вивченні агрегатів, каже Драммонд: вчені виявляють, що замість того, щоб бути жертвами, білки в агрегатах теж можуть бути вижили. Це сильна тенденція біології в даний час.
У цілому нині ця робота передбачає, що білки є цікаво динамічними структурами. Спочатку вони схожі на тверді машини, що працюють над певними фіксованими завданнями, для яких їм потрібна одна конкретна форма. Але насправді білки можуть набувати різних форм під час своєї нормальної роботи. У разі потреби їх форми можуть змінюватися так радикально, що здаватиметься, ніби вони вмирають, хоча насправді вони зміцнюються. На молекулярному рівні життя може бути постійним розпадом та оновленням.