بر اساس یک مقاله تحقیقاتی اخیراً منتشر شده توسط تیمی از دانشمندان، یک رویکرد پیشگامانه برای ایجاد مکان‌های آلوستریک مصنوعی (که در آن با اتصال یک مولکول مؤثر، فعالیت در محل فعال دیستال تنظیم می‌شود) در مجتمع‌های پروتئینی ایجاد شده است. این تحقیقات نویدبخش برای طیف گسترده ای از کاربردها در زمینه های صنعتی، بیولوژیکی، پزشکی و کشاورزی است.
کار این تیم در منتشر شده است شیمی طبیعت در 06 ژوئیه 2023 ساعت 16:00 (به وقت لندن)
کمپلکس های پروتئینی، مانند هموگلوبین و موتورهای مولکولی، عملکردهای هماهنگی را از طریق کار مشترک بین زیر واحدها (پروتئین های تشکیل دهنده مجتمع پروتئینی) انجام می دهند. این ارکستراسیون توسط مکانیسم آلوستریک فعال می شود. اثر آلوستریک، تنظیم عملکرد در یک مکان فعال در یک زیرواحد با اتصال یک مولکول موثر به یک مکان آلوستریک در زیر واحد دیگر، در ابتدا در دهه 1960 پیشنهاد شد و از آن زمان به عنوان یکی از مهمترین موضوعات در زمینه بیوشیمی باقی مانده است. . تیم تحقیقاتی یک استراتژی برای طراحی سایت‌های آلوستریک مصنوعی در کمپلکس‌های پروتئینی برای تنظیم عملکرد هماهنگ یک مجتمع پروتئینی ایجاد کردند. پروفسور نوبویاسو کوگا، استاد دانشگاه اوزاکا، می‌گوید: «ایجاد مکان‌های آلوستریک مصنوعی در کمپلکس‌های پروتئینی، این پتانسیل را دارد که اصول اساسی آلوستری را آشکار کند و به عنوان ابزاری برای زیست‌شناسی مصنوعی عمل کند.»
تیم تحقیقاتی این فرضیه را مطرح کردند که مکان‌های آلوستریک در کمپلکس‌های پروتئینی را می‌توان با بازگرداندن عملکردهای از دست رفته مکان‌های شبه فعالی که پیش‌بینی می‌شود در طول تکامل از بین رفته‌اند، ایجاد کرد. کمپلکس‌های پروتئینی مختلف شامل زیرواحدهایی هستند که دارای سایت‌های شبه فعال هستند. گزارش شده است که سایت های شبه فعال دارای ارتباط آلوستریک با سایت های فعال در زیر واحدهای دیگر هستند. به عنوان مثال، یک سایت شبه فعال در یک زیر واحد، که فعالیت ATPase را از دست داده است، اما همچنان توانایی اتصال به ATP را نشان می دهد، پس از اتصال به ATP، سایت فعال زیرواحد دیگر را فعال می کند. (در سطح سلولی، ATP منبع انرژی است. ATPase توانایی آنزیم برای تجزیه ATP را توصیف می کند.) چنین مطالعاتی از این ایده حمایت می کند که مکان های آلوستریک متمایز را می توان با مهندسی سایت های شبه فعال به کمپلکس های پروتئینی ایجاد کرد.
تیم تحقیقاتی از طراحی محاسباتی برای بازیابی توانایی اتصال ATP از دست رفته در سایت شبه فعال در زیرواحد B یک موتور مولکولی دوار، V استفاده کرد.1-ATPase ابتدا قابلیت اتصال محل طراحی شده به صورت تجربی توسط کریستالوگرافی اشعه ایکس آشکار شد. “ساختار اشعه ایکس نشان داد که محل اتصال با موفقیت طراحی شده و در پروتئین طبیعی ادغام شده است تا عملکردی داشته باشد. من از کاربرد با عملکرد بالای فناوری طراحی پروتئین شگفت زده شدم.” میکیو تانابه، دانشیار موسسه علوم ساختار مواد گفت. سپس، آزمایش‌های تک مولکولی آنها با آنالیزهای کریستالوگرافی اشعه ایکس نشان داد که اتصال ATP به سایت آلوستریک طراحی‌شده، این V را افزایش می‌دهد.1فعالیت آن در مقایسه با نوع وحشی و نرخ چرخش را می توان با تعدیل میل اتصال ATP تنظیم کرد. تیم همکاری در موتور دوار ایجاد کرد. علاوه بر این، آلوستری طراحی شده توسط تیم در مقایسه با نوع وحشی، چرخش را تسریع کرد، نه کاهش سرعت.
با بهترین دانش ما، شتاب یک موتور مولکولی دوار توسط مهندسی پروتئین اولین دستاورد است. این یک نتیجه هیجان انگیز در این زمینه است.”
ریوتا آینو، استاد مؤسسه ملی علوم طبیعی
سایت‌های شبه فعال در طبیعت گسترده هستند، و رویکرد آنها به عنوان ابزاری برای برنامه‌ریزی کنترل آلوستریک بر عملکردهای هماهنگ کمپلکس‌های پروتئینی امیدوارکننده است. علاوه بر این، روش طراحی پروتئین نه تنها بازیابی عملکرد از دست رفته بلکه طراحی سایت های اتصال برای لیگاندهای دیگر را نیز قادر می سازد. “استراتژی ما ما را قادر می سازد تا در اصل سایت های آلوستریک را در انواع مختلف کمپلکس های پروتئینی ایجاد کنیم. قدم بعدی ما ایجاد کنترل آلوستریک برای انواع کمپلکس های پروتئینی با استراتژی خود است. علاوه بر این، ما سعی خواهیم کرد عملکردهای جدیدی را در سایت های شبه فعال طراحی کنیم. یکی از اهداف ما کنترل مصنوعی عملکردهای هماهنگ هر کمپلکس پروتئینی و کشف مکانیسم کلی آلوستری است. امیدواریم کنترل آلوستریک بر عملکردهای هماهنگ مجتمع های پروتئینی راه های جدیدی را در کاربردهای صنعتی آنزیم ها یا بیولوژیکی، پزشکی و کشاورزی باز کند. تاکاهیرو کوسوگی، استادیار مؤسسه ملی علوم طبیعی گفت.
تیم تحقیقاتی شامل تاکاهیرو کوسوگی از مؤسسه علوم مولکولی (IMS) مؤسسه ملی علوم طبیعی (NINS)، مرکز تحقیقات اکتشافی در سیستم‌های حیات و زندگی (ExCELLS)، NINS، SOKENDAI (دانشگاه تحصیلات تکمیلی برای مطالعات پیشرفته)، و PRESTO است. آژانس علم و فناوری ژاپن؛ Tatsuya Iida و Ryota Iino از IMS NINS و SOKENDAI. میکیو تانابه از مؤسسه علوم ساختار مواد، سازمان تحقیقات شتابدهنده انرژی بالا (KEK)؛ و Nobuyasu Koga از IMS NINS، ExCELLS NINS، SOKENDAI، و دانشگاه اوزاکا.
این تحقیق توسط یک کمک هزینه برای تحقیقات علمی در زمینه های نوآورانه “موتور مولکولی”، آژانس علم و فناوری ژاپن “تحقیقات مقدماتی برای علم و فناوری جنینی” و موسسه ملی علوم طبیعی، موسسه اوکازاکی برای علوم زیستی یکپارچه تامین می شود. . آزمایش‌های پراش برای کریستالوگرافی اشعه ایکس در کارخانه فوتون KEK BL-1A که تا حدی توسط AMED-BINDS پشتیبانی می‌شود، انجام شد. محاسبات با استفاده از مرکز تحقیقات علوم محاسباتی، اوکازاکی، ژاپن انجام شد.
منبع:
مؤسسات ملی علوم طبیعی
مرجع مجله:
کوسوگی، تی. و همکاران. (2023). طراحی سایت های آلوستریک به موتور دوار V1-ATPase با بازگرداندن عملکرد از دست رفته سایت های شبه فعال. شیمی طبیعت. doi.org/10.1038/s41557-023-01256-4.