Физики изучают фермент, связанный с болезнью Альцгеймера и раком

Для изучения функций важнейшего белка, ошибки в работе которого могут привести к болезни Альцгеймера и раку, физики из Университета Хьюстона используют сложное компьютерное моделирование.

Маргарет Ченг (Margaret Cheung), адъюнкт профессор физики Университета Хьюстона, и физик-аспирант Антониос Самиотакис (Antonios Samiotakis) сообщают о своем открытии в статье, опубликованной в Proceedings of the National Academy of Sciences.

«Представьте, что вы идете вдоль ряда кресел по направлению к выходу в переполненном кинотеатре. Скорость вашего движения будет замедлена движущейся толпой и небольшим расстоянием между рядами. Однако вы все же сможете протянуть руку и похлопать по плечу вашего друга, который проспал весь фильм», - говорит Ченг. С точки зрения белка, «рабочей лошадки» всех живых систем, среда внутри переполненной клетки представляет собой то же самое. Белки в клетках постоянно «разговаривают» друг с другом и передают клетке информацию о том, что происходит и как на это нужно оперативно реагировать. Сбои в выполнении этой функции вызывают неконтролируемый клеточный рост и рак или ошибки в работе клетки, ведущие к болезни Альцгеймера. Понимание внутриклеточных белков – с точки зрения их структуры и ферментативной активности – важно для изучения того, как можно предотвратить или лечить эти болезни на молекулярном уровне.

Физик-теоретик Ченг и ее коллега-экспериментатор Мартин Грубел (Martin Gruebele) из Университета Иллинойса, Урбана-Шампейн (University of Illinois at Urbana-Champaign), руководили группой ученых, которым удалось раскрыть одну из тайн белков. Для изучения фермента фосфоглицераткиназы (phosphoglycerate kinase – PGK), Ченг использовала компьютерные модели, имитирующие среду внутри клетки. Биохимики обычно изучают белки в воде, но такие исследования в пробирке не дают полной информации, так как не могут показать, как именно белок функционирует внутри переполненной клетки, где он может взаимодействовать с ДНК, рибосомами и другими молекулами.

Фермент ФГК играет ключевую роль в процессе гликолиза – метаболического расщепления глюкозы и других сахаров с выделением энергии в форме АТФ. Молекулы АТФ – это топливо для биологических молекулярных моторов. Такое превращение пищи в энергию происходит в каждом организме, от дрожжей до человека. Нарушения в гликолитическом пути связываются учеными с болезнью Альцгеймера и раком. Установлено, что пациенты со сниженной скоростью метаболизма в головном мозге подвержены риску развития болезни Альцгеймера, в то время как вышедшая из-под контроля скорость метаболизма, как предполагается, обеспечивает энергией и стимулирует рост злокачественных опухолевых клеток.

Ранее ученые полагали, что в ферменте ФГК, имеющем форму компьютерного персонажа Pac-Man, должно произойти динамическое изменение, позволяющее ему выполнять свою метаболическую функцию. Однако в компьютерной модели, имитирующей внутреннюю среду клетки, Ченг обнаружила, что фермент функционирует и в своей закрытой Pac-Man- форме в окружении множества других молекул. Действительно, в ограниченном пространстве переполненной клетки фермент был в 15 раз активнее. Это означало, что в условиях аналогичных внутренней среде клетки белок более активен и эффективен, чем в пробирке. Это открытие может значительно изменить взгляды ученых на белки и их поведение, если принимать во внимание внутреннюю среду клетки.

«Эта работа углубляет понимание того, как белки функционируют или не функционируют в реальных условиях клетки», - говорит Самиотакис. «Понимание воздействия переполненной клетки на структуру и динамику белков может помочь ученым в разработке эффективных терапевтических средств, которые лучше работают в клетках».

Компьютерные модели Ченг и Самиотакиса – выполненные с использованием суперкомпьютеров в Texas Learning and Computation Center (TLC2) – проводились одновременно с экспериментами in vitro Грубела и его группы. В успехе работы высокопроизводительные вычислительные ресурсы TLC2 сыграли значительную роль.

«Картинка, представляющая изображение молекулярной структуры лекарства, способного точно узнавать и связываться внутри переполненной клетки с ключевой молекулой, вызывающей болезнь Альцгеймера или рак. Затем возможность возвращать больной клетке ее здоровую форму взаимодействия на молекулярном уровне. Это может стать реальностью в ближайшем будущем. Наша лаборатория в Университете Хьюстона работает над осуществлением этой мечты», - комментирует свою работу Ченг.

Источник: www.lifesciencestoday.ru