» » Создана молекулярная машина для сборки пептидов

Создана молекулярная машина для сборки пептидов


Создана молекулярная машина для сборки пептидов

Схематическое изображение молекулярной машины (вверху), и молекулярной машины со связанным с ней синтезированным пептидом (внизу). Рисунок из обсуждаемой статьи в Science.


Исследователи из Манчестера и Эдинбурга создали примитивный искусственный аналог рибосомы — ротаксановую наномашину, способную синтезировать пептиды заданного состава. Кольцевая молекула перемещается по линейной молекуле-матрице, состоящей из цепочки ароматических колец, к которым прикреплены аминокислоты, последовательно отсоединяя аминокислотные остатки от стержня и прикрепляя их к растущему пептиду. Если настоящая рибосома присоединяет 15–20 аминокислотных остатков в секунду, то у созданной наномашины на присоединение одного остатка уходит 12 часов.

Создание искусственных наномашин (они же — молекулярные машины) — популярная сегодня область биоинженерии. Уже разработано множество молекулярных машин, выполняющих самые разные задачи: роботы из молекул ДНК (Kyle Lund, et al, 2010. Molecular Robots Guided by Prescriptive Landscapes), искусственные наномоторы (Rienk Eelkema et al., 2006. Molecular machines: Nanomotor rotates microscale objects), манипуляторы, изменяющие конформацию определенных лигандов (Takahiro Muraoka et al., 2006. Mechanical twisting of a guest by a photoresponsive host), и множество других.

Молекулярные машины часто проектируются на основе ротаксанов — класса соединений, состоящих из молекулы гантелевидной формы («стержня») и «надетой» на неё циклической молекулы («кольца»). Линейная и циклическая молекула связаны без участия химической связи, чисто механически — так называемой топологической связью. Кольцу не дают соскользнуть со стержня утолщения на концах гантели (например, разветвлённая система из ароматических колец). Например, ротаксановые машины использовались для осуществления направленного транспорта капелек жидкости (Jose Berna et al., 2005. Macroscopic transport by synthetic molecular machines), а также для создания своего рода переключателей, срабатывающих при освобождении (в результате изменения pH) кольцом каталитического сайта, расположенного на оси ротаксана (Victor Blanco et al., 2012. A Rotaxane-Based Switchable Organocatalyst).

Именно такую архитектуру избрали для своей молекулярной машины, синтезирующей пептиды (короткие белки), авторы недавней статьи в Science. Кольцо (макроцикл, рис. 1, №3), способное передвигаться по стержню, несет на себе каталитический сайт (рис. 1, №4), который висит на кольце. Аминокислоты, которые должны будут присоединяться к растущему пептиду, прикреплены прямо к стержню — в определённом порядке и с определённым шагом (рис. 1, №2). (О том, как осужествляется прикрепление аминокислот к молекуле-стержню, авторы, к сожалению, умалчивают).


Создана молекулярная машина для сборки пептидов

Создана молекулярная машина для сборки пептидов

Рис. 1. Процесс синтеза молекулярной машины (1) из стержня, несущего аминокислоты (2), макроцикла (3) и терминального домена (5), не дающего кольцу (макроциклу) соскользнуть со стержня. Кольцо закрепляется на стержне при помощи терминального домена, после чего к кольцу присоединяется каталитический домен R. Каталитический домен содержит в своем составе затравку для будущего синтеза. К аминокислотным остаткам и затравке присоединены блокирующие группы (Boc и Trt), после отделения которых машина начинает синтез. Изображение из обсуждаемой статьи в Science


Каталитический сайт представляет собой затравку (пептид из двух аминокислот) и каталитическую SH-группу. Конец затравки и конец SH-группы вначале закрыты блоком (эти блокирующие группы можно отделить специальной химической реакцией). Каждый аминокислотный остаток не дает кольцу двигаться дальше, пока каталитический сайт, расположенный на кольце, не отделит его от стержня и не присоединит к растущему пептиду. Как только с SH-группы каталитического сайта снимается блок, она вступает в реакцию трансацетилирования с фенольным эфиром первого аминокислотного остатка, оказавшегося на пути каталитического кольца (рис. 2). Аминокислотный остаток отделяется от стержня-матрицы и повисает на SH-группе в основании затравочного пептида. Чтобы занять свое место в пептиде, аминокислотному остатку нужно перескочить на свободный конец затравки (N-конец пептида). После этого освободившаяся SH-группа вступает в реакцию со следующим аминокислотным остатком. Так, постепенно продвигаясь по стержню, кольцо собирает аминокислотные остатки на своем пути, и продолжает синтез пептида, пока каталитическое кольцо не отсоединится от освобожденного конца стержня. После этого готовый пептид можно отделить от кольца реакцией гидролиза.


Создана молекулярная машина для сборки пептидов

Создана молекулярная машина для сборки пептидов

Рис. 2. Синтез пептида молекулярной машиной. Встретив на своем пути препятствие — аминокислотный остаток — каталитическое кольцо останавливается, отсоединяет его от стержня-основания и добавляет к растущему пептиду. Достигнув конца стержня, кольцо соскакивает с него. Готовый пептид можно отделить от кольца реакцией гидролиза. Изображение из обсуждаемой статьи в Science


Чтобы получать пептиды таким методом в больших количествах, надо просто одновременно добавить в реакционную смесь большое количество ротаксановых наномашин (кольцо + стержень с аминокислотами), что, собственно, и сделали авторы статьи. Используя одновременно 1018 молекулярных машин, они получили миллиграммы пептида.

Проверка методами ЯМР и масс-спектрометрии подтвердила, что состав синтезированных пептидов точно соответствовал ожиданиям ученых. Полученный пептид получается очень чистым, потому что при таком методе синтеза у молекулярной машины фактически нет возможности совершить ошибку, выбрав неправильный строительный блок для продолжения синтеза.

Авторы работы сравнивают свою наномашину с рибосомой — природным молекулярным ансамблем для синтеза белка.

В живой клетке белки синтезируются рибосомами из строительных блоков (аминокислот) на основе матрицы — молекулы мРНК, несущей информацию о строении белка. Рибосома присоединяется к концу молекулы мРНК и двигается по ней, добавляя к растущему белку по одной аминокислоте на каждые три нуклеотида матрицы. Перевод информации с языка нуклеотидов на язык аминокислот осуществляется благодаря специальным адапторам — аминоацил-тРНК, каждый из которых несёт в своем составе определенный остаток аминокислоты и обладает свойством распознавать определенную тройку нуклеотидов мРНК. Прочитав три нуклеотида м РНК, рибосома получает однозначную информацию о следующем строительном блоке, нужном для синтеза.

Поскольку все необходимые для синтеза блоки (аминоацил-тРНК) присутствуют в клетке, рибосоме остается только ждать, когда в нее поступит нужный. Когда соответствующая аминоацил-тРНК попадает в А-сайт рибосомы и узнает нуклеотиды матрицы, присоединенный к ней остаток аминокислоты переносится на растущий белок, находящийся в P-сайте рибосомы. После этого рибосома сдвигается относительно мРНК на три нуклеотида, и ждет появления следующей необходимой молекулы аминоацил-тРНК. Когда рибосома проходит всю последовательность мРНК, из нее выходит закодированный в последовательности матрицы белок.

Каталитическая субъединица молекулярной машины так же направленно движется вдоль стержня, как и рибосома вдоль мРНК, и синтезируемый пептид так же удлиняется по ходу этого движения. Принципиальное отличие от рибосомы состоит в том, что молекулярной машине не нужно, прочитав инструкцию, ждать появления подходящей детали: детали разложены прямо перед ней в правильном порядке, и ей остается лишь подобрать их и соединить в цепочку. Таким образом, в данном случае речь не идёт о каком-либо переводе информации с одного языка на другой, как это происходит при природном синтезе (язык нуклеотидов — язык аминокислот).

Другое важное отличие от рибосомы — очень большое время, уходящее на реакцию синтеза пептида: 12 часов на присоединение каждого аминокислотного остатка (а клеточные рибосомы присоединяют 15–20 остатков в секунду!) — то есть разница в эффективности с настоящей рибосомой составляет 650–870 тысяч раз.

Заметим, что особого практического значения работа на данный момент не имеет. Для искусственного синтеза пептидов обычно используется твёрдофазный синтез, который занимает значительно меньше времени: до 10–15 минут на образование одной пептидной связи (по сравнению с 12 часами в случае ротаксановой машины). Тем более, синтез значительно усложняется, если приходится сначала синтезировать стержень с аминокислотами, а потом уже проводить реакцию собственно синтеза пептида.

Тем не менее в статье впервые разработан пептидный синтез при помощи наномашины. Создание ещё одной наносистемы с требуемыми свойствами и функциями показывает большие возможности молекулярных машин для синтеза в том числе природных полимеров. Кроме того, как отмечают авторы, предложенный в статье метод позволяет синтезировать пептид высокой степени чистоты.

Источник: Bartosz Lewandowski, Guillaume De Bo, John W. Ward, Marcus Papmeyer, Sonja Kuschel, Maria J. Aldegunde, Philipp M. E. Gramlich, Dominik Heckmann, Stephen M. Goldup, Daniel M. D’Souza, Antony E. Fernandes, David A. Leigh. Sequence-Specific Peptide Synthesis by an Artificial Small-Molecule Machine // Science. 2013. V. 339. P. 189–193.

Юлия Кондратенко


05 октябрь 2019 /
  • Не нравится
  • 0
  • Нравится

Похожие новости

Геномы одноклеточных водорослей проливают свет на эволюцию фотосинтезирующих эукариот

Отсеквенированы ядерные геномы представителей двух групп одноклеточных водорослей, появившихся в результате вторичного симбиоза. Фотосинтезирующие симбионты этих организмов — одноклеточные красные и

Бактерии Delftia acidovorans выделяют вещество, способствующее биоминерализации золота

Электронная микрофотография комплекса дельфтибактина с золотом. На микрофотографии видны коллоидные частицы золота (синяя стрелочка) и октаэдрические частицы золота (красная стрелочка),

Синтез РНК в «протоклетках» всё-таки возможен

Один из возможных сценариев зарождения жизни предполагает существование в прошлом «протоклеток» с липидной оболочкой, в которых шел неферментативный матричный синтез (репликация) РНК. Проблема в том,
Комментарии

НАПИСАТЬ КОММЕНТАРИЙ

Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
Код:
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив
Введите код:
Популярные новости
Почему одни нации богатые, а другие — бедные?Люди могут отращивать хрящи, как саламандрыПочему мы стареем? Новая теория ученыхРоссийский аппарат к Луне стартует не раньше 2026 годаОхотник за сокровищами нашел редчайший доисторический кладЧто происходит с океанами Земли?NASA получило новые снимки Большого красного пятна ЮпитераОбманщики чередуют ложь с правдой, чтобы им продолжали верить