Międzynarodowy zespół naukowców pod kierownictwem prof. Joanny Sułkowskiej z Centrum Nowych Technologii UW, we współpracy z prof. Sophie Jackson z University of Cambridge, opisał pierwsze struktury krystaliczne białek zawierających węzeł 8₃ – o nieznanym dotąd stopniu złożoności. Wyniki badań, opublikowane w czasopiśmie „Proceedings of the National Academy of Sciences” (PNAS), rzucają nowe światło na procesy fałdowania białek i ich ewolucję.
Badacze opisali nowy typ architektury białek, nazwany EIGHT fold (Extraordinarily Intricate Globular Helical Tangled fold), zawierający węzeł 8₃. Istnienie tej struktury zostało wcześniej zasugerowane przez model sztucznej inteligencji AlphaFold.
Zespół pod kierownictwem prof. Joanny Sułkowskiej wyodrębnił białka o tej architekturze spośród ponad 600 tys. zawęźlonych białek. Ich obecność u organizmów oddalonych od siebie o miliony lat ewolucji skłoniła naukowców do postawienia hipotezy, iż przewidziana przez sztuczną inteligencję struktura rzeczywiście występuje w naturze. Wyniki wskazują również, iż modele sztucznej inteligencji mogą przewidywać bardzo złożone struktury makromolekularne, choćby jeżeli podobne architektury nie występowały wcześniej w danych treningowych.
Wyjątkowy proces fałdowania białek
Wszystkie zidentyfikowane białka zawierające węzeł 8₃ występują u bakterii należących do klas Clostridia i Tissierellia. Są to bakterie rozwijające się w środowiskach beztlenowych, często zasiedlające jelita i błony śluzowe. Przedstawiciele Clostridia wspierają zdrowie jelit poprzez produkcję krótkołańcuchowych kwasów tłuszczowych, m.in. maślanu. Bakterie Tissierellia są zwykle komensalami, choć niektóre mogą wywoływać zakażenia oportunistyczne.
Jednym z kolejnych celów badań będzie ustalenie, jaką funkcję pełni węzeł w tych białkach, czy wpływa na ich działanie lub agregację oraz jakie może to mieć znaczenie dla zdrowia człowieka.
Dotychczasowe badania koncentrowały się na poznaniu podstawowych adekwatności krajobrazu energetycznego nowej rodziny białek. Z matematycznego punktu widzenia ich struktura wymaga dwukrotnego pokonania bariery topologicznej, co wcześniej uznawano za niemożliwe w przypadku białek.
Zespół prof. Joanny Sułkowskiej, we współpracy z prof. Sophie Jackson z University of Cambridge oraz Zakładem Biofizyki Wydziału Fizyki UW, wykazał, iż białko może samodzielnie się rozwinąć. Proces ten składa się z sześciu faz i jest najbardziej złożonym procesem tego rodzaju opisanym dotychczas w literaturze naukowej. Jednocześnie w badanych warunkach nie zaobserwowano samodzielnego ponownego zawęźlenia białka.
Aby wyjaśnić ten paradoks, naukowcy wykorzystali klasyczne symulacje komputerowe oraz metody sztucznej inteligencji, formułując hipotezę podwójnego przeplecenia. Jej eksperymentalna weryfikacja pozostaje wyzwaniem ze względu na trudności w określaniu stopnia zawęźlenia białek w warunkach in vitro.
Nowe spojrzenie na ewolucję białek
Białka zawierające węzeł 8₃ wyróżniają się wysoką symetrią wewnętrzną. Analizy bioinformatyczne wskazują, iż architektura EIGHT fold powstała prawdopodobnie w wyniku duplikacji niezawęźlonych fragmentów białka, które po połączeniu utworzyły złożoną strukturę. Mechanizm ten przypomina procesy znane z ewolucji białek membranowych.
Naukowcy zaobserwowali również, iż pomimo zachowania architektury przestrzennej w toku ewolucji sekwencje aminokwasowe białek należących do tej rodziny znacząco się różnią. Podobieństwa występują jedynie w nielicznych, kluczowych obszarach, przede wszystkim odpowiedzialnych za utworzenie węzła.
– Fascynujące jest to, jak skomplikowane struktury mogą powstać pod wpływem presji ewolucyjnej – mówi dr Mariusz Możajew z CeNT UW i dodaje: – Odkrycie to wyraźnie pokazuje, iż do pełnego zrozumienia mechanizmów biologicznych nie wystarczy sama znajomość sekwencji białka. Równie najważniejsze jest poznanie jego topologii oraz ewolucyjnego pochodzenia.
Zdaniem badaczy rozwój metod sztucznej inteligencji może przyczynić się do rozszerzenia klasycznej klasyfikacji białek, uwzględniającej ich sekwencję oraz strukturę drugorzędową i trzeciorzędową, o kolejny element – topologię.
Publikacja:
Mariusz Mozajew, Maciej Sikora, Mateusz Fortunka, Agata P. Perlinska, Anna Kluza, Szymon Niewieczerzal, Fernando Bruno da Silva, Maciej Lukaszewicz, Julia A. Sikorska, Lena J. Mikulska, Sophie E. Jackson and Joanna I. Sulkowska, Unique features of EIGHT fold—Proteins with the most complex 83 knotted topology, „Proceedings of the National Academy of Sciences”. https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2523017123
