Сотрудники Института химической кинетики и горения им.
В.В. Воеводского СО РАН разрабатывают новый подход к локализации
небольших молекул внутри мембранных белков. Это
фундаментальное исследование в перспективе может ускорить процесс
создания фармакологических средств, прицельно и предсказуемо
воздействующих на мембранные белки, участвующие в развитии многих
недугов, включая рак, диабет, сердечно-сосудистые и нейродегенеративные
заболевания.
Молодые ученые пытаются понять, как наиболее удачно присоединить к
мембранному белку внешнюю молекулу (в идеале — лекарство). Отработку
методики они ведут на белковых системах бактерий совместно с российскими
и зарубежными коллегами.
Мембранные белки выделяются как основной класс возможных мишеней для
терапии, поскольку именно они обеспечивают непосредственную передачу
сигналов в живые клетки. «Количество мембранных белков среди известных
белковых структур — около 2 %, несмотря на то, что они кодируются в
среднем 1/3 генов и являются мишенью для порядка 2/3 существующих
лекарств, — комментирует научный сотрудник ИХКиГ СО РАН кандидат
физико-математических наук Николай Павлович Исаев. — Мы решили применить
существующие методологические наработки в области электронного
парамагнитного резонанса (ЭПР) и спиновых меток для обнаружения
небольших молекул внутри мембранных белков».
В качестве спиновых меток ученые используют стабильные радикалы, в
структуре которых есть неспаренный электрон, — нитроксилы. «Они могут
годами оставаться активными и не вступать в химические реакции со всем
подряд, как часто бывает с другими радикалами», — комментирует Николай
Исаев. Направленно внедряя в нужное место белка аминокислоту цистеин с
прикрепленной к ней спиновой меткой, исследователи могут увидеть область
порядка одного нанометра вокруг этой метки с помощью методов магнитной
спектроскопии.
Основная сложность заключается в необходимости близкого прикрепления
спиновой метки к центру связывания (участку, где происходит
присоединение к белку другого вещества). «Дело в том, что метка может
помешать внешней молекуле в присоединении, поскольку сопоставима с ней
по размерам. Наша задача — детектировать молекулу и ее ориентацию в
белке, не внося при этом искажений в сам центр связывания», — поясняет
Николай Исаев.
Найти такую позицию ученые попытались методом перебора на трех белковых
системах, представляющих собой «аминокислотные насосы», которые
закачивают аминокислоты внутрь бактерии, снабжая ее пищей. Схожие
структуры работают и в наших клетках.
На первой белковой системе исследователям не удалось с высокой
точностью рассчитать позиции прикрепления меток. На середине проекта они
подключили вторую систему, которая также показала результат не сразу.
«Тогда мы стали искать другие пути, — рассказывает Николай Исаев, — и в
тесном сотрудничестве с младшим научным сотрудником ФИЦ “Институт
цитологии и генетики СО РАН” Никитой Владимировичем Иванисенко смогли
разработать процедуру детального расчета места прикрепления спиновой
метки, обеспечивающую и возможность присоединения внешней молекулы, и
его последующее обнаружение меткой. Благодаря этой методике мы смогли с
30-й попытки обнаружить присоединенный субстрат на второй белковой
системе, а на третьей нам уже удалось угадать три из пяти удачных
локаций для прикрепления».
В данный момент исследователи оттачивают компьютерную обработку
экспериментальных результатов, получая информацию о локализции молекул в
ряде бактериальных белков. Это позволяет смоделировать структуру самого
центра связывания, что можно сравнить с узнаванием кода замка: подобная
информация значительно упрощает изготовление «отмычки» с нужными
свойствами, в перспективе — молекулы-лекарства для белка-мишени, даже
без полной информации о структуре самого белка.
Работа ведется при поддержке немецкого Фонда Александра фон Гумбольдта в
сотрудничестве с несколькими лабораториями Германии и Голландии. «Мы
разрабатываем методологию, которая, как мы надеемся, может быть полезна
всему человечеству, — отмечает Николай Исаев. — Пока мы не выходим за
рамки фундаментальной науки, но проект уже на этой стадии требует
дальнейшего развития».
Цель ученых — проведение скрининга потенциальных лекарств для
актуальных мишеней, например из семейства белков GPCR. Это подразумевает
исследование эффективности связывания целого ряда молекул потенциальных
лекарств к одному спин-меченому белку-мишени. Такой подход поможет
отбирать самые эффективные молекулы и в перспективе ускорит разработку
новых лекарств и снизит затраты на их производство.
Юлия Клюшникова