Misurare la forma delle proteine ​​è diventato più facile grazie alla matematica

Struttura proteica Le analisi dei nuclei proteici rivelano differenze fondamentali tra soluzioni e strutture cristalline

Le proteine ​​sono i mattoni della vita. Sono lunghe catene di amminoacidi che si autoassemblano in macchine molecolari di straordinaria complessità. Queste macchine includono dispositivi informatici chiamati ribosomi, scheletri di impalcature chiamati microtubuli e macchine per camminare a forma di gambe chiamate kinesin, tra molte altre.

Questo processo di autoassemblaggio è una delle grandi meraviglie della scienza moderna, quasi come se una catena di mattoncini Lego si assemblasse improvvisamente in un robot. Nessuno è abbastanza sicuro di come ciò avvenga, ma gli scienziati sanno che la forma della struttura risultante determina la funzione della proteina e il modo in cui interagisce con altre proteine.

Quindi misurare la forma delle proteine ​​è un compito cruciale. Il metodo più comune consiste nel formare cristalli dalle proteine ​​e quindi utilizzare la cristallografia a raggi X per determinare la struttura della proteina.

Questo è un problema perché la maggior parte delle proteine ​​non forma cristalli. E anche quando lo fanno, le molecole proteiche potrebbero non assumere tutte la stessa forma man mano che si impacchettano, causando imprecisioni.

Un'altra tecnica, chiamata risonanza magnetica nucleare, crea immagini di proteine ​​in soluzione ma richiede che siano strettamente imballate in fasci. Ancora una volta, solo poche proteine ​​possono farlo.

Tuttavia, una piccola frazione di proteine ​​può essere rappresentata con entrambe le tecniche. È utile perché consente ai biologi molecolari di confrontare le strutture prodotte da ciascuna tecnica.

E si scopre che le strutture trovate da ciascuna tecnica differiscono in modo significativo. Ma non è chiaro esattamente cosa causi le differenze e come interpretarle.

Oggi le cose cambiano, almeno in parte, grazie al lavoro di Zhe Mei e dei colleghi della Yale University di New Haven. Questo team ha misurato la differenza nella struttura proteica determinata mediante cristallografia a raggi X e NMR. E hanno capito perché sorge la differenza e come correggerla.

Il team ha iniziato compilando un database di proteine ​​con strutture determinate da entrambe le tecniche ad alta risoluzione. Questo risulta essere un elenco relativamente piccolo: solo 16 proteine ​​vanno bene.

I ricercatori hanno anche creato un database di strutture proteiche di cristallografia a raggi X determinate da diversi gruppi a diverse temperature. Ciò ha permesso al team di studiare come la temperatura influenza la struttura.

Hanno quindi creato un modello matematico del modo in cui le proteine ​​si raggruppano per formare cristalli solidi o fasci in soluzione per NMR.

Si scopre che la densità di impaccamento può spiegare esattamente la differenza di struttura per entrambe le tecniche, i fasci in soluzione hanno una densità maggiore dei cristalli. I ricercatori affermano che identifichiamo la base fisica di queste differenze modellando i nuclei proteici come impaccamenti inceppati di particelle a forma di amminoacido.

Possono anche perfezionare il loro modello matematico variando l'energia termica utilizzata per generare gli imballaggi. In effetti, l'imballaggio proteico che non è influenzato dalla temperatura ha all'incirca la stessa densità delle strutture determinate dalla cristallografia a raggi X

Ciò suggerisce che la temperatura gioca un ruolo importante nella struttura di impacchettamento delle proteine, poiché le strutture determinate dall'NMR sono più dense. Questi risultati indicano che i sistemi termalizzati possono imballarsi in modo più denso rispetto ai sistemi atermici, il che suggerisce una base fisica per le differenze strutturali tra le strutture proteiche risolte mediante NMR e cristallografia a raggi X, affermano Mei e co.

Tuttavia, la temperatura non è l'intera storia. Le proteine ​​nelle strutture cristalline sono costrette ad assumere una certa forma e questo riduce la quantità di distorsione termica che la molecola può subire.

Quindi il risultato di Mei e co solleva una domanda interessante: in che misura la struttura delle proteine ​​è il risultato della temperatura o il risultato dell'impacchettamento dei cristalli?

Ciò dovrà aspettare per ulteriori lavori.

Rif: arxiv.org/abs/1907.08233 : Le analisi dei nuclei proteici rivelano differenze fondamentali tra soluzioni e strutture cristalline

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