Изучение мембранных белков представляет собой одну из актуальных задач современной биологии и медицины. Ключевая проблема при работе с этими объектами >— это получение функционально-активного белка в растворимом состоянии. Коллектив ученых из Института биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН предложил использовать для этих целей бесклеточный синтез в присутствии мембранного миметика — бицелл на основе новых «сверхмягких» детергентов Facade. Оказалось, что такая среда не оказывает влияния на аппарат транскрипции/трансляции и при этом способна эффективно имитировать мембранное окружение. Уровень экспрессии модельного мембранного белка, родопсина, в такой системе в несколько раз превышал выход белка при использовании классических бицелл на основе более «жёстких» детергентов CHAPS или DHPC, и оказался сравним с выходами белка в случае липид-белковых нанодисков.

Разобраться в том, как на молекулярном уровне работают различные системы живого организма является одной из ключевых задач современной молекулярной биологии и медицины. Особенно это актуально для белков, пронизывающих клеточную мембрану. Мембранные белки отвечают за взаимодействие клетки с окружением и служат мишенью для более чем половины всех имеющихся на данный момент лекарств. Нарушения в их работе зачастую приводят к развитию серьёзных заболеваний, например, аутоиммунных, онкологических, нейродегенеративных. Тем не менее, лишь около десятой части известных трёхмерных структур белков в базе Protein Data Bank принадлежит мембранным белкам, что связано со сложностями при их получении.

Достижения последних десятилетий в области экспрессии белков и генной инженерии привели к созданию эффективных бесклеточных систем синтеза. Для этого используют экстракты тех или иных клеточных культур, в которых сохраняются транскрипционные и трансляционные аппараты клетки, и, в то же время, удалены генетический материал и другие «лишние» компоненты. Несмотря на то, что на сегодняшний день бесклеточные системы позволяют синтезировать миллиграммовые количества интересующего белка, получение функционально-активных мембранных белков остается сложной задачей. Дело в том, что наличие протяженных гидрофобных участков в составе мембранного белка приводит к его агрегации в процессе синтеза, и, соответственно, получению неактивной молекулы.

Чтобы избежать этого печального результата, белку нужно предоставить гидрофобное окружение, напоминающее клеточную мембрану. Поэтому, ключевым моментом для синтеза мембранного белка является поиск такого  окружения (миметика клеточной мембраны или мембраноподобной среды), которое, поддерживало бы  мембранный белок в активной форме в процессе реакции бесклеточного синтеза, при этом не препятствуя самому процессу транскрипции/трансляции. Работа по поиску мембранноподобных сред для бесклеточных систем ведётся давно, были предложены множество различных составов, однако каждый из них имеет определенные недостатки. Поэтому, поиск новых миметиков все ещё остается актуальной задачей.

Коллектив учёных из ИБХ РАН предложил использовать для бесклеточного синтеза бицеллы на основе новых «сверхмягких» детергентов Facade. Бицеллы — это дисковидные частицы небольшого размера (5–10 нанометров), которые содержат участок бислойной мембраны из молекул липидов, аналогично клеточной мембране, окруженной детергентом. При этом, детергенты Facade — это плоские молекулы с ярко выраженными гидрофобной и гидрофильной частью. Они называются сверхмягкими, поскольку практически не взаимодействуют с водорастворимыми белками и хорошо сохраняют активность мембранных. Facade образуют обод вокруг участка мембраны, который позволяет частицам бицелл находиться в водном растворе. Оказалось, что такая среда не оказывает влияния на аппарат транскрипции/трансляции и при этом способна отлично имитировать мембранное окружение. Уровень экспрессии модельного мембранного белка, родопсина, в такой системе в несколько раз превышал выход белка при использовании классических бицелл на основе более «жёстких» детергентов CHAPS или DHPC, и оказался сравним с выходами белка в случае липид-белковых нанодисков.

Помимо этого, в работе было подробно изучено влияние  размера частиц бицелл, липидного состава (толщины и заряда) мембраны и ряда других параметров на накопление мембранного белка. Это позволило обнаружить закономерности и оптимизировать систему синтеза для повышения её эффективности.

Подводя итог, бицеллы, собранные на основе сверхмягких детергентов Facade, представляют собой перспективное мембраноподобное окружение для бесклеточного синтеза белков. Вместе с другими миметиками (например, нанодисками) они расширяют палитру возможностей структурной биологии, что позволяет рассчитывать на новые открытия в области изучения мембранных белков.

Работа выполнена в рамках гранта РНФ № 22-24-00593. Результаты опубликованы в Molecular Sciences.

Источник: ИБХ РАН.