Шнобелевская премия по химии 2026

Шнобелевская премия 2026 по химии

Структура белкового кристалла, полученного из живородящего таракана Diploptera punctata

Натан Куссенс (Nathan Coussens), Джеймс Грей (James Gray), Барбара Стей (Barbara Stay), Университет Айовы, США, Франсуа-Ксавье Галлат (Franзois-Xavier Gallat), Леонард Чавас (Leonard Chavas), Научно-исследовательский центр структурной биологии, Япония, Коичиро Яги (Koichiro Yagi), Стивен Тобе (Stephen Tobe), Университет Торонто, Канада, Джандхьям Шрикант (Jandhyam Srikanth), Центр клеточных и молекулярных платформ, Субраманиан Рамасвами (Subramanian Ramaswamy), Нитиш Сатьянараянан (Nitish Sathyanarayanan), Санчари Баннерджи (Sanchari Banerjee), Институт биологии стволовых клеток и регенеративной медицины, Индия, "Структура гетерогенного, гликозилированного, связанного с липидами, выращенного in vivo белкового кристалла с атомным разрешением, полученного из живородящего таракана Diploptera punctata", IUCrJ, том 3, № 4, стр. 282-293, 2016.

Макромолекулярные кристаллы для рентгенодифракционных исследований обычно выращивают in vitro из чистых и однородных образцов; однако существуют примеры белковых кристаллов, идентифицированных in vivo. Недавние достижения в методах микрокристаллографии и появление рентгеновских лазеров на свободных электронах позволили определить структуру нескольких белков из кристаллов, выращенных in cellulo. В данной работе представлена кристаллическая структура гетерогенных молочных белков с атомным разрешением (1,2 A), выращенных внутри живого организма в их функциональной нише. Эти выращенные in vivo кристаллы были выделены из средней кишки эмбриона единственного известного живородящего таракана, Diploptera punctata. Молочные белки кристаллизовались в пространственной группе P1, и их структура была определена методом аномальной дисперсии от нативных атомов серы. Полученные данные выявили гликозилированные белки, которые принимают липокалиновую структуру, связывают липиды и организуются в плотно упакованную кристаллическую решетку. По оценкам, один кристалл содержит более чем в три раза больше энергии, чем эквивалентная масса молочного молока. Эта уникальная форма хранения питательных веществ для развивающихся эмбрионов обеспечивает постоянный доступ к полноценным питательным веществам. Примечательно, что кристаллические белки тараканьего молока обладают высокой степенью гетерогенности по аминокислотной последовательности, гликозилированию и составу связанных жирных кислот. Эти данные представляют собой уникальный пример гетерогенности белка внутри одного выращенного in vivo кристалла природного белка в его естественной среде с атомным разрешением.

D. punctata представляет собой один из немногих примеров живорождения среди насекомых. Подобно млекопитающим, самка обеспечивает питанием 9–12 развивающихся эмбрионов в своем выводковом мешке в виде молочного секрета, известного как лили-мип (Lili-Mip). Лили-мип служит полноценным питательным веществом, обеспечивая все незаменимые аминокислоты, углеводы из прикрепленных гликозидов и липиды благодаря шаперонирующим линолевым и олеиновым кислотам. Лили-мип является основным источником питательных веществ для развивающихся эмбрионов до рождения. После поглощения эмбрионами его возрастающая концентрация в средней кишке способствует кристаллизации лили-мипа. Была обнаружена значительная гетерогенность в первичной белковой структуре, гликозилировании и содержании липидов лили-мипа; однако точная роль гетерогенности, оптимизированной для кристаллизации в единой решетке, в настоящее время неясна.

Это первое сообщение о прямой кристаллографической фазировке и определении структуры из кристалла, выращенного естественным путем in vivo, а не in vitro из сверхэкспрессированных белков. Атомно-разрешенная структура крамбина является примером кристаллизации и определения структуры белка с микрогетерогенностью в его первичной последовательности. Хотя существуют примеры незначительной гетерогенности кристаллических структур по последовательности белка, гликозилированию и связыванию лиганда независимо друг от друга, насколько нам известно, до настоящего времени не было опубликовано ни одной кристаллической структуры, которая одновременно обладала бы гетерогенностью по последовательности белка, содержанию углеводов и липидов. Неудивительно, что большинство структур с гетерогенностью не обеспечивают дифракции с высоким разрешением. Здесь мы представляем уникальный пример кристаллов со значительной гетерогенностью, которые обеспечивают дифракцию с атомным разрешением. Степень гликозилирования, связанная с кристаллами Lili-Mip, примечательна, поскольку известно, что кристаллизация гликозилированных белков in vitro является проблематичной.

После определения структуры было установлено, что Lili-Mip принадлежит к семейству липокалиноподобных белков. Наложение структур Lili-Mip на различные модели липокалинов привело к получению среднеквадратичного отклонения (r.m.s.d.). Значения варьируются от 3,90 до 15,38 ангстрем, что подтверждает высокую избыточность этой складки в форме каликса. Основные различия между этими белками заключаются в конформации гидрофобной полости, используемой для координации липидов, которая определяет тип лиганда, который может быть размещен, например, определенные наборы липидов, стероиды, билины или ретиноиды. Структуры предполагают, что энергетика кристаллизации (хотя и кристаллизации гетерогенной смеси) создает механизм хранения и высвобождения, который просто зависит от концентрации, чтобы обеспечить поступление питательных веществ по мере необходимости.

Анализ состава молока, выделяемого беременными самками D. punctata, показал, что липиды составляют 16–22% от сухого веса, при этом холестерин является единственным стероидом, а линолевая кислота — наиболее распространенной жирной кислотой. Линолевая кислота необходима большинству насекомых в их рационе, а у других животных липокалины, как известно, транспортируют гидрофобные молекулы, такие как холестерин и линолевая кислота, которые не могут быть синтезированы насекомыми de novo. Масс-спектрометрический анализ кристаллов Lili-Mip показывает наличие линолевой и олеиновой кислот. В кристаллической структуре мы наблюдали длинную цепь жирных кислот в бочкообразной структуре, которую мы предполагаем либо линолевой, либо олеиновой кислотой. Исследования методом молекулярной динамики показали, что Lili-Mip, связанный с линолевой кислотой, имеет меньшие флуктуации, чем Lili-Mip, связанный с олеиновой кислотой, или нативный Lili-Mip. Кроме того, связывание олеиновой и линолевой кислот приводит к конформационным изменениям среди скрытых остатков в ядре липокалиновой складки. Остатки Val51, Val65, Thr81, Ser86, Phe100 и Leu113 выстилают связывающий карман и демонстрируют множественные конформации, что предполагает сосуществование в кристалле белков, связанных как с олеиновой кислотой, так и с линолевой кислотой. Кроме того, все гетерогенные остатки белковой смеси расположены на поверхности, а не внутри бочкообразной структуры, что указывает на консервативность связывающего кармана.

Высокая скорость роста личинок D. punctata от рождения до репродуктивной зрелости за 43–52 дня, по сравнению со 160 днями для яйцеживородящих личинок Rhyparobia maderae, может быть следствием исключительного энергетического потенциала кристаллов Lili-Mip. В период между началом формирования желтка в яичнике и рождением эмбрионов D. punctata содержание белка увеличивается в 600 раз; это примерно в девять раз больше, чем содержание белка в личинках R. maderae. Высокое содержание белка объясняется наличием лилий-микрофагов, поступающих из выводкового мешка, и их хранением в виде кристаллов в средней кишке эмбриона. Один кристалл Lili-Mip в средней кишке эмбриона содержит приблизительно 3,7 х 10^-5 Дж энергии, что более чем в три раза превышает энергию, выделяемую эквивалентными массами молока млекопитающих нескольких видов. Образование казеиновых мицелл является важной функциональной особенностью, обеспечивающей высокое содержание белка в молоке млекопитающих при низкой вязкости. В отличие от этого, высокое содержание белка в молоке D. punctata достигается за счет кристаллизации Lili-Mip в средней кишке эмбриона.

В литературе имеется множество примеров, когда кристаллизация белков in vivo регулируется такими механизмами, как ионные изменения, протеолиз и белки-шапероны. Кристаллизация индуцируется увеличением концентрации белка до уровня пересыщения, приводящего к нуклеации, за которой следует упорядоченная сборка. Перекристаллизация in vitro солюбилизированных кристаллов Lili-Mip с использованием только полиэтиленгликоля с высокой молекулярной массой продемонстрировала высокую склонность этого белка к кристаллизации. Сильные взаимодействия, наблюдаемые между родственными молекулами в решетке, могут указывать на эффективное явление нуклеации. Анализ упаковки белков в кристалле дает возможное объяснение высокой кристаллизуемости этого белка. Предположительно, по мере того, как эмбрионы начинают потреблять пищу, концентрация Lili-Mip в растворе снижается, что приводит к растворению кристаллов. При этом поддерживается равновесие, позволяющее высвобождать пищу по мере необходимости в питательных веществах. Другими словами, хранение пищи в кристаллической форме не только позволяет поддерживать высокую концентрацию питательных веществ, но и обеспечивает механизм контролируемого высвобождения питательных веществ по мере их необходимости. Понимание молекулярной структуры этих выращенных in vivo белковых кристаллов позволяет нам оценить, как принципы термодинамики (упаковка кристаллов) и кинетики (равновесие между кристаллическим и растворным состояниями) превосходно используются в биологии для обеспечения эволюционного преимущества.

За открытие того, что молочные белки живородящих тараканов содержат в три раза больше энергии, чем молочные белки коров, Санчари Баннерджи, Натан П. Куссенс, Франсуа-Ксавье Галлат, Нитиш Сатьянараянан, Джандхьям Шрикант, Коичиро Дж. Яги, Джеймс С.С. Грей, Стивен С. Тобе, Барбара Стей, Леонард М. Г. Чавас и Субраманиан Рамасвами, забирают Шнобелевскую премию 2026 по химии.

05.09.2026

Facebook через полвека ждет судьба виртуального кладбища

Если события будут развиваться именно по такому сценарию, то примерно к 2065 году (или даже раньше) количество умерших пользователей Facebook превысит число живых, большую часть пользователи сейчас составляют довольно молодые люди, они состарятся и умрут
подробнее

Статистически значимые смешки

На 14 конференциях по биологии собрали данные об использовании юмора в 531 докладе. Шутки концентрировались в начале и конце докладов, с дополнительным всплеском успешных шуток в середине. Наука может быть серьезной, но ученые не всегда должны быть такими
подробнее

Источник - пресса

Шнобель Процедура Пресса Анналы Архив Статьи Шнобелист