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».

Ученые начали понимать, почему жизнь не может без воды
Илья Хель