Forskere bruger højtryks-NMR-spektroskopi til at studere strukturen af ​​dynamiske proteiner

Et tryk på 3.000 bar påføres koldchokprotein B fra Bacillus subtilis i et lille rør i NMR-spektroskopi-laboratoriet ved Universitetet i Konstanz. Dette er cirka tre gange vandtrykket på det dybeste punkt i havet. Trykket er så intenst, at det meget dynamiske protein viser strukturelle træk, som ikke ville være tilstrækkeligt synlige under normalt tryk.

Men hvorfor anvender videnskabsmænd så højt tryk, som ikke forekommer andre steder på vores planet under naturlige forhold? Svaret er:At studere processer og egenskaber, der er for flygtige til at kunne observeres under normale forhold.

"Dette høje tryk giver os mulighed for at synliggøre tilstande, der faktisk eksisterer ved 1 bar, men som vi kun kan observere direkte ved 3.000 bar," forklarer Frederic Berner, University of Konstanz. Bogstaveligt talt "under højt tryk" undersøger doktorgradsforskeren et proteins egenskaber bestemt af dets struktur, og hvordan ændringer i strukturen igen påvirker dets egenskaber.

I forskningsgruppen Physical Chemistry and Nuclear Magnetic Resonance ved University of Konstanz, ledet af Michael Kovermann, implementerede han for nylig en ny metode til at analysere proteiners strukturelle egenskaber ved 3.000 bar med så lidt indflydelse som muligt fra omgivende effekter.

De to forskere præsenterer nu deres nye metodiske tilgang i tidsskriftet Angewandte Chemie International Edition .

Proteiner:Hvordan struktur påvirker deres egenskaber

Proteiner er de grundlæggende byggesten i livet. De består af aminosyrekæder, hvis tredimensionelle struktur kan antage en lang række formationer. De "folder" på samme måde som et langt papirbånd kan foldes i forskellige former.

Et proteins funktionelle egenskaber afhænger i høj grad af dets foldning, så det samme protein kan have meget forskellige virkninger i cellen, alt efter hvilken form det er foldet i. "Det, der er vigtigt for proteiner, er deres struktur, som igen er forbundet med funktionaliteter. Hvis du vil identificere biokemiske mekanismer, har du brug for information om deres struktur," siger Berner.

Forskere sigter efter at fange proteinstrukturens egenskaber i sin "rene" form - så uoverskyet som muligt af påvirkninger fra dets miljø. Af to grunde er det dog ikke så let:For det første er der næsten altid interaktioner med opløsningsmidlet, der omgiver proteinet og med nabosektioner af dets molekylekæde.

For det andet er proteiner meget dynamiske, deres foldning er altid i bevægelse. For eksempel er der proteiner, der hele tiden folder sig fra hinanden og går tilbage som en saks. I brøkdelen af ​​det sekund, den åbner, finder en kemisk reaktion sted. Det sker alt for hurtigt til, at forskere kan undersøge det direkte.

Under højt tryk

Og det er her, trykket på 3.000 bar kommer ind:Molekylet presses ind i en bestemt tilstand – dets struktur manipuleres:Saksen forbliver åben. Ved hjælp af magnetisk resonansspektroskopi kan forskerne nu studere proteinets specifikke strukturelle egenskaber, som ikke er direkte synlige under normalt tryk.

Tidligere analysemetoder har ofte accepteret miljøeffekterne og forsøger at udregne dem efterfølgende. Kovermanns og Berners nye højtryksmetode kan derimod undertrykke eller "korrigere" miljøpåvirkningerne fra starten ("intrinsisk") og giver dermed et udsyn til proteinet, der påvirkes mindst muligt. Det giver særlig mening at bruge og sammenligne den nye metode i kombination med eksisterende metoder, da de forskellige påvirkningsfaktorer på den måde bliver synlige i detaljer.

Højtryksprocessen, der er opfundet ved universitetet i Konstanz, har givet meget gode resultater selv i den tidlige fase af dens anvendelse. Berner og Kovermann forklarer, at yderligere eksperimenter og computersimuleringer nu vil finde sted for yderligere at teste og potentielt forfine processen.

Flere oplysninger: Frederic Berner et al., Inkludering af ensemblet af ustrukturerede konformationer i analysen af ​​proteins oprindelige tilstand ved højtryks-NMR-spektroskopi, Angewandte Chemie International Edition (2024). DOI:10.1002/anie.202401343

Journaloplysninger: Angewandte Chemie International Edition

Leveret af University of Konstanz