مطالعه از مجموعه ای شگفت انگیز از چین های پروتئینی ناشناخته در طبیعت پرده برداری می کند

یک مطالعه پیشگامانه، تنوع شگفت‌انگیز ساختارهای پروتئینی و چین‌خوردگی‌های آن‌ها در طبیعت را روشن کرده است. محققان در صدد برآمدند تا حدی را که طبیعت چشم‌انداز وسیع توپولوژی‌های پروتئینی ممکن را کشف کرده است، آشکار کنند. نتایج مجموعه‌ای شگفت‌انگیز از چین‌های پروتئینی کشف‌نشده را نشان می‌دهد که درک ما را گسترش داده و عمق جهان پروتئین را آشکار می‌کند.

این تحقیق در مجله منتشر شده است زیست شناسی ساختاری و مولکولی طبیعت در 3 جولای 2023.

پروتئین‌ها، بلوک‌های سازنده حیات، به ساختارهای سه‌بعدی خاصی تبدیل می‌شوند و آنها را قادر می‌سازند تا عملکردهای بیولوژیکی خود را انجام دهند. ساختار سه بعدی پروتئین ها توسط توالی اسید آمینه آنها تعیین می شود. در حالی که تکنیک‌های تجربی ساختار پروتئین‌های متعدد را در طول سال‌ها با موفقیت آشکار کرده‌اند، کشف چین‌های پروتئینی جدید، که با آرایش و اتصال مارپیچ‌های α و رشته‌های β تعریف می‌شوند، به طور فزاینده‌ای نادر شده است. این سوال را ایجاد می کند: فضای چین پروتئینی چقدر گسترده است که توسط طبیعت کشف نشده است؟ در تلاش برای پرداختن به این سوال دیرینه، مطالعات نظری انجام شده است. با این حال، اعتبار تجربی وجود ندارد.

برای پاسخ به این سوال، تیم تحقیقاتی مطالعه‌ای را آغاز کرد که پیش‌بینی نظری چین‌های پروتئینی جدید را با اعتبار تجربی طرح‌های نوین آنها ترکیب می‌کرد.

تیم تحقیقاتی قوانینی را بر اساس شیمی فیزیکی و داده‌های ساختار پروتئین برای پیش‌بینی تئوری چین‌های پروتئینی ابداع کردند. سپس این قوانین برای پیش‌بینی چین‌های αβ جدید، که از یک صفحه β چهار تا هشت رشته‌ای تشکیل شده‌اند، که هنوز در بانک داده‌های پروتئین فعلی (PDB) مشاهده نشده‌اند، استفاده شدند. این منجر به شناسایی 12356 تای رمان شد. سپس این تیم تلاش کرد تا به صورت محاسباتی پروتئین‌هایی را برای چین‌های جدید پیش‌بینی‌شده از ابتدا طراحی کند تا انعطاف‌پذیری و وفاداری چین‌های جدید را ارزیابی کند.

ما سعی کردیم به صورت محاسباتی پروتئین‌هایی را با تمام چین‌های پیش‌بینی‌شده طراحی کنیم که دارای یک صفحه β چهار رشته‌ای هستند، از جمله یکی که ساختار گره‌مانندی را تشکیل می‌دهد. هنگام طراحی پروتئین‌ها، انتظار نداشتیم که همه آن‌ها، به‌ویژه آنهایی که گره‌ساز را تشکیل می‌دهند، همانطور که پیش‌بینی می‌شد در ساختارها جمع شوند.»

شینتارو مینامی، محقق، مرکز تحقیقات اکتشافی در زندگی و سیستم های زندگی (ExCELLS)

نتایج آزمایش تجربی شگفت‌انگیز بود (شکل را ببینید). نائوهیرو کوبایاشی، محقق ارشد RIKEN، می‌گوید: «برای تمام چین‌ها، ساختارهای پروتئینی طراحی‌شده محاسباتی با ساختارهای آزمایشی مطابقت دارند.

این یافته‌ها وجود حداقل تقریباً 10000 چین‌های αβ تاشونده ناشناخته را نشان می‌دهند، یک مکاشفه قابل توجه با توجه به اینکه تنها 400 چین αβ در طبیعت مشاهده شده است. این نشان می‌دهد که بسیاری از چین‌های بالقوه در فضای تا شدن پروتئین ناشناخته باقی می‌مانند.

این نتایج باعث ایجاد چندین فرضیه در مورد ساختار و تکامل پروتئین ها شده است. یک فرضیه این است که پروتئین ها ممکن است به اندازه کافی در زیست شناسی وجود نداشته باشند که تمام چین های ممکن کشف شده باشند. فرضیه دیگر این است که چین‌های پروتئینی در طبیعت به دلیل اینکه تمام حیات روی زمین از یک اجداد مشترک نشات گرفته‌اند، ذاتاً مغرضانه هستند. جورج چیکنجی، استادیار دانشگاه ناگویا، می‌گوید: «پروتئین‌ها ممکن است با استفاده مجدد مکرر از چین‌های خاص در حالی که عملکردهای متفاوتی را بیان می‌کنند، تکامل یافته باشند. اگر حیات فرازمینی وجود داشته باشد، ممکن است از مجموعه دیگری از چین‌های پروتئینی استفاده کند.»

پروتئین ها به دلیل عملکردهای متنوع خود که از تنوع ساختارهای سه بعدی پروتئین تولید می شوند، شناخته شده اند. این مطالعه وجود حداقل تقریباً 10000 چین های αβ تاشو کشف نشده را در طبیعت نشان داده است. گفت: “طراحی پروتئین‌ها با این چین‌های جدید منجر به تنوع بیشتر ساختارها می‌شود. این امر راه را برای طراحی جدید مولکول‌های پروتئینی کاربردی هموار می‌کند، منجر به پیشرفت‌هایی در توسعه دارو، طراحی آنزیم‌ها و سایر زمینه‌ها می‌شود.” نوبویاسو کوگا، استاد مرکز تحقیقات اکتشافی در مورد حیات و سیستم‌های زندگی (ExCELLS)، مؤسسه ملی علوم طبیعی (NINS).

تیم تحقیقاتی شامل Shintaro Minami (قبلاً در ExCELLS NINS) است. نائوهیرو کوبایاشی از RIKEN، توشیهیکو سوگیکی از موسسه تحقیقات پروتئین (IPR)، دانشگاه اوزاکا (دانشگاه کیتاساتو فعلی)، توشیو ناگاشیما از RIKEN، توشیمیچی فوجیوارا از IPR، دانشگاه اوزاکا، ری تاتسومی-کوگا از ExCELLS NINS (در حال حاضر IPR) دانشگاه)، جورج چیکنجی از دانشگاه ناگویا، نوبویاسو کوگا از ExCELLS NINS، موسسه علوم مولکولی (IMS) NINS، SOKENDAI (دانشگاه تحصیلات تکمیلی برای مطالعات پیشرفته) (در حال حاضر IPR، دانشگاه اوزاکا).