Ved at lytte lærer forskerne, hvordan et protein folder

Proteinsonificering:Hårnål i en fælde

Forskerne ønskede at kortlægge tidssekvensen af ​​hydrogenbindinger, der opstår, når proteinet folder. Men deres visualiseringer kunne ikke fange disse komplekse begivenheder.

"Der er bogstaveligt talt titusindvis af disse interaktioner med vandmolekyler under den korte passage mellem den udfoldede og foldede tilstand," sagde Gruebele.

Så forskerne vendte sig til data sonificering, en metode til at konvertere deres molekylære data til lyde, så de kunne "høre" brintbindingerne dannes. For at opnå dette skrev Scaletti et softwareprogram, der tildelte hver brintbinding en unik tonehøjde. Molekylære simuleringer genererede de essentielle data, der viste, hvor og hvornår to atomer var i den rigtige position i rummet – og tæt nok på hinanden – til at binde hydrogen.

Hvis de korrekte betingelser for binding fandt sted, spillede softwareprogrammet en tonehøjde svarende til den binding. Alt i alt sporede programmet hundredtusindvis af individuelle hydrogenbindingshændelser i rækkefølge.

Brug af lyd til at udforske hydrogenbindingsdynamikken under proteinfoldning

Talrige undersøgelser tyder på, at lyd behandles omtrent dobbelt så hurtigt som visuelle data i den menneskelige hjerne, og mennesker er bedre i stand til at opdage og huske subtile forskelle i en sekvens af lyde, end hvis den samme sekvens er repræsenteret visuelt, sagde Scaletti.

"I vores auditive system er vi virkelig meget indstillet på små forskelle i frekvens," sagde hun. "Vi bruger f.eks. frekvenser og kombinationer af frekvenser til at forstå tale."

Et protein tilbringer det meste af sin tid i foldet tilstand, så forskerne fandt også på en "sjældenhedsfunktion" til at identificere, hvornår de sjældne, flygtige øjeblikke med foldning eller udfoldning fandt sted.

De resulterende lyde gav dem indsigt i processen og afslørede, hvordan nogle brintbindinger ser ud til at fremskynde foldningen, mens andre ser ud til at bremse den. De karakteriserede disse overgange, idet de kaldte den hurtigste "motorvej", den langsomste "slyngede" og de mellemliggende for "tvetydige."

At inkludere vandmolekylerne i simuleringerne og hydrogenbindingsanalysen var afgørende for at forstå processen, sagde Gruebele.

"Halvdelen af ​​energien fra en proteinfoldningsreaktion kommer fra vandet og ikke fra proteinet," sagde han. "Vi lærte virkelig ved at lave sonificering, hvordan vandmolekyler sætter sig på det rigtige sted på proteinet, og hvordan de hjælper proteinets konformation til at ændre sig, så det til sidst bliver foldet."

Mens hydrogenbindinger ikke er den eneste faktor, der bidrager til proteinfoldning, stabiliserer disse bindinger ofte en overgang fra en foldet tilstand til en anden, sagde Gruebele. Andre hydrogenbindinger kan midlertidigt hindre korrekt foldning. For eksempel kan et protein blive hængt op i en gentagende løkke, der involverer en eller flere hydrogenbindinger, der dannes, brydes og dannes igen - indtil proteinet til sidst undslipper denne blind vej for at fortsætte sin rejse til sin mest stabile foldede tilstand.

"I modsætning til visualiseringen, der ligner et totalt tilfældigt rod, hører du faktisk mønstre, når du lytter til dette," sagde Gruebele. "Dette er de ting, der var umulige at visualisere, men det er nemt at høre."

Flere oplysninger: Scaletti, Carla et al, Hydrogenbindingsheterogenitet korrelerer med proteinfoldningsovergangstilstandens passagetid som afsløret ved datasonificering, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2319094121. doi.org/10.1073/pnas.2319094121

Journaloplysninger: Proceedings of the National Academy of Sciences

Leveret af University of Illinois at Urbana-Champaign