包括MIPT研究人員在內(nèi)的國際團隊已經(jīng)證明，碘化物定相 - 結構生物學中一項歷史悠久的技術 - 普遍適用于膜蛋白結構測定。了解這些結構可以分子水平地理解視力和嗅覺的運作，以及神經(jīng)和心血管系統(tǒng)。

該研究的作者發(fā)表在Science Advances上，將碘化物定相的既定方法應用于代表不同類別的四種膜蛋白，并發(fā)現(xiàn)碘化物(碘離子)以相同的方式與所有四種相互作用。這意味著該方法可以成功地揭示對藥劑學至關重要的新蛋白質(zhì)結構。因為碘化物定相容易且快速，它可以加速計算機輔助藥物開發(fā)并使其更便宜。

膜蛋白：細胞的海關服務

眾所周知，所有生物都是由細胞組成的。構成任何生物體的細胞具有共同的結構。特別地，所有細胞都被保護性細胞膜包圍，所述保護性細胞膜阻斷大多數(shù)物質(zhì)的分子通過。通過膜封閉，細胞可以保持復雜生化過程平穩(wěn)運行所必需的內(nèi)部條件。然而，細胞的存活還取決于其監(jiān)測外部環(huán)境變化并對其作出反應的能力。這就是為什么每個細胞的基因組編碼數(shù)百種特殊蛋白質(zhì)，這些蛋白質(zhì)負責細胞與周圍環(huán)境的相互作用。由于這些蛋白質(zhì)嵌入細胞膜中，因此它們被稱為膜蛋白質(zhì)。它們的另一個功能是允許分子進入被膜細胞阻斷的細胞，但仍然是營養(yǎng)或生化反應所必需的。

結構生物學的最大突破與1953年Watson和Crick的諾貝爾獎獲得的DNA雙鏈結構的發(fā)現(xiàn)有關。兩位科學家創(chuàng)造的優(yōu)雅模型基于他們的同事Rosalind Franklin先前進行的結構研究。 。DNA分子(又稱雙螺旋)的雙鏈結構成功地解釋了細胞間遺傳信息的轉(zhuǎn)移，為現(xiàn)代生物學奠定了基礎。

晶體學是結構生物學的主要方法。它使研究人員能夠以原子分辨率闡明生物分子(通常是蛋白質(zhì))的結構。這種精確性意味著不僅可以在基礎水平上研究蛋白質(zhì)操作，而且可以使用物理定律模擬蛋白質(zhì)行為。

晶體學很大程度上依賴于衍射的物理現(xiàn)象。收集衍射數(shù)據(jù)，蛋白質(zhì)晶體暴露于X射線束。由于晶體中的分子處于高度有序的構型，因此X射線束衍射到多個方向，其強度被放大了許多倍。然后可以拾取這些衍射光束并將其解釋為信號，從而測量它們的強度。但是，只有給定方向的平均信號值可用，并且部分信息丟失。這被稱為相位問題：丟失的相位，即一個信號相對于另一個信號的延遲，是使用衍射數(shù)據(jù)確定分子結構所必需的。拾取缺乏相位的信號有點像查看彩色圖像的黑白副本 - 您可以感知每個點的強度，但顏色不存在，因此大部分信息都丟失了。

Phase recovery

由于已經(jīng)解決了許多晶體結構，因此可以使用計算機輔助技術在新分子的研究中恢復丟失的相。這涉及從已知結構推斷階段并手工精煉它們。然而，這種方法通常不會產(chǎn)生令人滿意的結果，特別是在膜蛋白典型的低分辨率數(shù)據(jù)或完全不像任何已解決的任何結構的新結構的情況下。因此，通常優(yōu)選使用不同的技術來處理這些晶體。它基于異常衍射現(xiàn)象，即由重元素如碘，釓，溴和有時硫磺產(chǎn)生的衍射信號中的某種不對稱性。為了使該方法起作用，重元素需要與蛋白質(zhì)分子強烈結合在水晶中。這確保了它們的原子與蛋白質(zhì)分子本身一樣嚴格有序，以產(chǎn)生強烈的衍射信號。通過反復試驗找到正確的重元素通常需要很長時間，并且許多有價值的蛋白質(zhì)晶體在此過程中被耗盡。

研究人員表明，如果用溶液中的碘離子處理膜蛋白，異常散射可以保證有效。這可以通過自然界中存在的每種膜蛋白的共同特征實現(xiàn)：它們都以這樣的方式構造，即膜 - 溶液界面上有額外的正電荷，補償膜表面上的負電荷。碘化物與這些電荷強烈相互作用，并被選擇性地吸引到稱為結合位點的蛋白質(zhì)上的非常特定的點，確保實驗階段恢復的成功。

“在我們的研究中，我們展示了早期研究中已知的四種蛋白質(zhì)結構的成功解決方案。來自不同生物體的蛋白質(zhì)如下：來自海洋細菌Krokinobacter eikastus的光驅(qū)鈉泵，片段來自大腸桿菌細菌的組氨酸激酶，一種人腺苷受體，以及來自海洋放線菌分支的質(zhì)子泵。從四種結構中的每一種，可以看出碘離子實際上與那里的帶正電荷的氨基酸結合。蛋白質(zhì)從膜上突出。與有時用于解決相位問題的溴化物相比，碘化物更可靠，在衍射測量中提供更高的精確度，“歐洲同步輻射裝置的Igor Melnikov說，該研究的第一作者，MIPT畢業(yè)生。