Skjult symmetri fundet i kemiske kinetiske ligninger

Forskere fra Rice University har opdaget en skjult symmetri i de kemiske kinetiske ligninger, forskere længe har brugt til at modellere og studere mange af de kemiske processer, der er afgørende for livet.

Fundet har konsekvenser for lægemiddeldesign, genetik og biomedicinsk forskning og er beskrevet i en undersøgelse, der blev offentliggjort i denne måned i Procedurer fra National Academy of Sciences . For at illustrere de biologiske konsekvenser, undersøg medforfattere Oleg Igoshin, Anatoly Kolomeisky og Joel Mallory fra Rices Center for Teoretisk Biologisk Fysik (CTBP) brugte tre vidtgående eksempler:proteinfoldning, enzymkatalyse og motorproteineffektivitet.

I hvert tilfælde, forskerne demonstrerede, at et simpelt matematisk forhold viser, at sandsynligheden for fejl styres af kinetik frem for termodynamik.

"Det kan være et protein, der foldes ind i den korrekte kontra den forkerte konformation, et enzym, der inkorporerer den rigtige versus den forkerte aminosyre i polypeptidkæden, eller et motorprotein fejlagtigt træder baglæns i stedet for at gå fremad, "sagde Igoshin, en CTBP -efterforsker og professor i bioingeniør ved Rice. "Alle disse egenskaber kan udtrykkes som et forhold mellem to steady-state fluxer, og vi fandt ud af, at biologiske egenskaber udtrykt i disse termer er under kinetisk kontrol. "

Proteinfoldningseksemplet illustrerer konsekvenserne for lægemiddeldesign. Alle proteiner foldes til en karakteristisk form, og en brøkdel fejlfoldes i den forkerte form. Proteinfyldning har været impliceret i nogle arvelige genetiske lidelser og sygdomme, og stofproducenter er interesserede i at lave lægemidler, der kan reducere chancerne for, at proteiner falder forkert sammen.

Inden den folder sig, et protein har energi, som en bold, der sidder oven på en bakke. Foldning er nedkørslen fra dette højenergiudgangspunkt til det sted, hvor bolden holder op med at rulle. Kemikere bruger ofte et visuelt hjælpemiddel kaldet et "frit energilandskab" til at kortlægge energiniveauer i kemiske reaktioner. Landskabet ligner en bjergkæde med toppe og dale, og nedkørslen fra et proteins udfoldede udgangspunkt til dets fuldt foldede slutpunkt kan ligne en bjergvej, der snor sig gennem en række dale. Selvom en by langs vejen er lavere i højden, en rejsende skal muligvis bestige bakker for at komme fra den ene dal til den næste på vej ned ad bakke.

"Vi har vist, at det er barrierer, højdepunkterne mellem dale, der bestemmer disse forhold, "Sagde Igoshin." Dybderne i dalene er ligegyldige.

"Hvis du vil have et lægemiddel, der hjælper en proteinfoldning korrekt, for eksempel, vores forudsigelse er, at stoffet skal være i stand til at reducere en barriere langs foldebanen, "sagde han." Hvis det kun påvirker dalene, sige ved at forbedre stabiliteten af ​​nogle mellemliggende konformationer langs foldebanen, det ændrer ikke forholdet mellem gange proteinet folder korrekt mod forkert. "

Igoshin sagde, at arbejdet stammede fra en undersøgelse fra 2017, hvor han, Kolomeisky og tidligere CTBP -postdoktorforsker Kinshuk Banerjee viste, at nøjagtigheden af ​​enzymatisk katalyse var kinetisk kontrolleret. Igoshin beskrev opdagelsen som en "slags underliggende symmetri af ligninger."

"Hvis du ser på forholdene mellem flux, du får denne interessante aflysning, og alle de vilkår, der har at gøre med disse værdier, annulleres, og du får uoverensstemmelse, "sagde han." Da vi først fik dette resultat, det virkede kontraintuitivt for os. Derefter, vi var ikke sikre på, om det var en tilfældighed, fordi i det foregående papir viste vi det kun for to bestemte kinetiske skemaer. Nu har Joels arbejde vist, at det kan generaliseres til denne brede vifte af systemer. "

Igoshin sagde, at symmetrien "ikke var så svær at bevise, men ingen lagde mærke til det før. "

"Jeg synes, det er et meget interessant fysisk resultat, der har store konsekvenser i biologien, "Det sagde." Det kunne hjælpe med at definere grænserne for, hvad der er muligt med hensyn til at kontrollere og optimere egenskaber på systemniveau i mange biologiske processer. "