Ученые начали понимать, почему жизнь не может без воды

Ученые подобрались ближе к пониманию того, как и почему вода является жизненно необходимой для жизни. На неделе в Национальной академии наук появилась работа, обеспечивающая серьезное доказательство тому, что белки — сложные и большие молекулы, которые сворачиваются в определенные формы, позволяя протекать биологическим реакциям — не могут сворачиваться самостоятельно. Вместо этого фолдинг белка обеспечивается гораздо меньшими молекулами воды, которые окружают белки, тянут и толкают их, чтобы те за доли секунды свернулись определенным образом, подобно крошечным художникам оригами, которые складывают гигантские листы бумаги с невероятной скоростью.

Донгпинг Чжон, руководитель исследовательской группы в Университете штата Огайо, который сделал открытие, назвал эту работу «крупным шагом вперед» в понимании водно-белковых взаимодействий и сказал, что она отвечает на вопрос, над которым ломали головы ученые десятки лет.

«Долгое время ученые пытались выяснить, как вода взаимодействует с белками. Это фундаментальная проблема, которая имеет отношение к структуре, стабильности, динамике и, наконец, функции белка», заявил Чжон. «Мы считаем, что теперь у нас есть уверенные прямые доказательства того, что на сверхкоротких временных масштабах (пикосекундах, триллионных долях секунды) вода модулирует белковые флуктуации», заключил он.

Чжон, профессор химии и биохимии, и его команда использовали сверхкороткие лазерные импульсы для съемки движущихся молекул воды вокруг ДНК-полимеразы, типа белка, который помогает воспроизводить ДНК.

Чтобы получить хороший вид на это взаимодействие, пришлось точно локализовать оптические зонды на поверхности белка, говорит ученый. Ученые ввели молекулы аминокислоты триптофана в белок в качестве зонда и измерили, как вода движется вокруг него.

Обычно молекулы воды текут мимо друг друга с пикосекундными скоростями, тогда как белки сворачиваются с наносекундными скоростями — в 1000 раз медленнее. Ранее группа Чжона продемонстрировала, что молекулы воды замедляются, сталкиваясь с белком. Но когда они связаны с ним, молекулы воды по-прежнему движутся в 100 раз быстрее, чем белок.

В новом исследовании ученые смогли определить, что молекулы воды непосредственно касались «боковых цепей» белка, частей белковой молекулы, которые связываются и развязываются между собой, обеспечивая фолдинг и функции. Исследователи также смогли отметить синхронизацию движения молекул.

Компьютерное моделирование в Суперкомпьютерном центре Огайо позволило ученым визуализировать происходящее: там, где вода двигалась определенным образом, секундой позже сворачивался белок, как если бы молекула воды подталкивала белок к изменению формы.

Вода не может произвольно менять форму белка, объяснил Чжон. Белки могут сворачиваться и разворачиваться несколькими способами, в зависимости от аминокислот, из которых состоят.

«Мы показали, что окончательная форма белка зависит от двух вещей: воды и самих аминокислот. Теперь мы можем сказать, что на сверхбыстрых временных масштабах флуктуации на поверхности белка контролируются флуктуациями воды. Молекулы воды работают вместе подобно большой сети, управляя движением белков».