Pajęcze nici są zbudowane z białek wytrzymałych na rozciąganie.
Przegląd kilkudziesięciu tysięcy struktur białkowych, przeprowadzony
za pomocą symulacji komputerowych w Instytucie Fizyki PAN w Warszawie,
ujawnił, że pająki wcale nie stosują budulca o najlepszych parametrach
mechanicznych. Naukowcy znaleźli białko dwukrotnie bardziej wytrzymałe
od pajęczej nici.
Trudno ulepszyć superbohatera. Jednak Spiderman z pewnościązainteresowałby się odkryciem naukowców z Instytutu FizykiPolskiej Akademii Nauk w Warszawie. Dzięki rozwijanej tu od latteorii i szybkim algorytmom modelującym zachowanie białka udałosię przeprowadzić symulacje mechanicznego rozciągania dużejliczby struktur białkowych. Wyniki przeglądu przyniosły sporezaskoczenie.
Obecny przegląd, już drugi przeprowadzony przez naszą grupę, objął 18tysięcy białek z największej bazy danych – Protein Data Bank.Spodziewaliśmy się znaleźć wśród nich struktury bijącedotychczasowe rekordy wytrzymałości na rozciąganie. Nie sądziliśmyjednak, że tak wyśrubujemy rekord”, mówi prof. dr hab. MarekCieplak, który w IF PAN kieruje zespołem zajmującym się badaniemmechanostabilności białek.
Białka są wytwarzane przez rybosomy jako długie, proste łańcuchyaminokwasów. Po wyprodukowaniu, w odpowiednich warunkach każdyłańcuch zwija się w kłębek. W ten sposób tworzy się strukturanatywna, o kształcie charakterystycznym dla konkretnego białka.
Współczesne narzędzia laboratoryjne pozwalają chwytać pojedyncze cząsteczkibiałka za swobodne końce łańcuchów i poddawać je mechanicznemurozciąganiu. Operacje te są przeprowadzane za pomocą mikroskopówsił atomowych lub tzw. szczypiec optycznych. Doświadczenia wymagająjednak dużej staranności i są czasochłonne, na dodatek niewielelaboratoriów potrafi je przeprowadzać. W rezultacie do tej pory naświecie przebadano tak zaledwie ok. 100 białek
My nie przeprowadzamy doświadczeń z rozciąganiem białek. Robimysymulacje komputerowe, które korzystają z naszego własnego modeluteoretycznego, rozwijanego już od kilkunastu lat. Jest uproszczony,empiryczny, ale przez to symulacje są bardzo szybkie. Zbadanieprocesu rozciągania jednego białka za pomocą dokładnych modelizajmuje nawet pół roku. My już po 20 minutach dostajemy wyniki,które dobrze się zgadzają z pomiarami w laboratoriach”, wyjaśniaprof. Cieplak.
Rozerwanie nici DNA – jej „rozpięcie” niczym zamka błyskawicznego –wymaga niewielkiej siły, w każdym momencie pęka bowiem tylko jednosłabe wiązanie wodorowe. Wystarczy do tego siła zaledwie 15pikoniutonów (1 pN to jedna tysięczna jednej miliardowej niutona).W przypadku białek za wytrzymałe uznaje się struktury zrywającesię przy siłach powyżej 200 pN. Wśród białek zbadanychdoświadczalnie dotychczasowy rekordzista wytrzymywał 500 pN.
Efektem naszych symulacji są wykresy obrazujące zależność przyłożonejsiły od przesunięcia uchwytu rozciągającego białko. Na jednym ztakich wykresów zauważyliśmy wyjątkowo mocne maksimum siły.Początkowo sądziliśmy, że jest to jakiś artefakt. Dopiero zczasem uświadomiliśmy sobie, że to nie artefakt, a odkrycie”,wspomina doktorant Mateusz Sikora z IF PAN.
Znalezione białko, znane jako 1TFG, wytrzymuje siłę aż 1500 pN, dwukrotniewiększą od tej, która zrywa struktury pajęczej nici.
Rekordowa wytrzymałość wynika ze specyficznej budowy zwiniętego białka.Gdy prosty łańcuch białka 1TFG zwija się formując strukturęnatywną, w pewnym miejscu między biegnącymi równolegle do siebiefragmentami łańcucha tworzą się dwa silne wiązania kowalencyjne– mostki dwusiarczkowe. „To tak, jakbyśmy wzięli linę, złożyliją na pół i w dwóch miejscach ją zszyli. Między miejscamizszycia powstanie wtedy coś w rodzaju oczka”, opisuje mgr Sikora.
Kluczowy jest fakt, że w białku 1TFG przez oczko uformowane ze spiętychczęści łańcucha przechodzi mostek dwusiarczkowy, który tworzysię między dwoma innymi fragmentami białka. „Mamy więczbudowane z kilku aminokwasów oczko, przez które jest przewleczonymostek. W przypadku białka 1TFG jest jednak dodatkowa atrakcja: pojednej stronie oczka, za mostkiem, mamy sporą pętlę. Jeśli terazprzyłożymy siłę rozciągającą do odpowiednich końcówekbiałka, stajemy przed trudnym zadaniem: musimy przepchnąć dużąpętlę przez mniejsze od niej oczko. To udaje się dopiero wtedy,gdy działająca siła jest tak duża, że ściśnie pętlę”,wyjaśnia Sikora.
Parametry mechaniczne znalezionego białka zostaną w przyszłościzweryfikowane w ośrodkach doświadczalnych współpracujących zgrupą z IF PAN. Jeśli zostaną potwierdzone, otwiera się droga dowielu zastosowań. Polimery z białka 1TFG prawdopodobnie świetnienadawałyby się na opatrunki lub nici chirurgiczne. Mogłyby byćrównież stosowane jako efektywne absorbery energii mechanicznej lubelementy czynne mechanosensorów. „Zawsze pozostaje też możliwośćudoskonalenia Spidermana. Gdyby był zainteresowany współpracą,wie, gdzie nas szukać”, mówi ze śmiechem prof. Cieplak.
W najnowszym przeglądzie białek fizykom z IF PAN udało się znaleźćjeszcze kilkanaście innych struktur o wytrzymałości na rozciąganiedochodzącej do 1000 pN. Jedno z nich, znane jako 2B1Y, wyróżniałosię kształtem: dwa łańcuchy białkowe były ułożone po prostuwzdłuż siebie i połączone wiązaniami wodorowymi, bez mostkówdwusiarczkowych. Duża odporność na rozciąganie wynikała tu zfaktu, że oba łańcuchy białkowe były wokół siebie skręcone.Struktury tego typu nie da się zniszczyć jak DNA, wiązaniewodorowe po wiązaniu – trzeba zerwać je wszystkie jednocześnie.
Praca opisująca odkrycie naukowców z IF PAN ukaże się w najbliższyczwartek.8 listopada w prestiżowym czasopiśmie fizycznym „PhysicalReview Letters”.
