Международный консорциум ученых обнаружил новые свойства фосфолипидов, из которых состоят клеточные мембраны.
Липиды могут образовывать большое количество разных структур для образования связей с белками, благодаря чему каждый из липидов может связываться с широким набором белков. Но у каждого липида есть свои любимые конформации – относительные расположения атомов химических элементов, из которых состоят липиды.
А время, которое проводит липид в каждой из конформаций, зависит от его вида.
Эти результаты исследования липидов опубликованы в журнале Американского химического сообщества (Journal of the American Chemical Society).
Мембраны клеток в основном состоят из фосфолипидов. Понимание взаимодействий липидов с другими биомолекулами важно в том числе для прикладных биотехнологий, например, в использовании липидных оболочек для доставки матричной РНК (мРНК) в нужную клетку. Это нужно для современных мРНК-вакцин от коронавируса, которые представляют собой липидные наночастицы с мРНК внутри.
Взаимодействия клеточных мембран с белками, активными молекулами лекарств или РНК регулируются в основном гидрофильными головными группами липидов. При этом в составе мембран насчитываются тысячи разных липидов, конформации которых до конца не изучены. Также не хватает данных о взаимодействиях липидов с разными белками. В частности, непонятно, в каких конформациях липиды связываются с белками.
Поскольку головы липидов крайне подвижны, наиболее точные данные об их конформации возможно получить при помощи метода ядерно-магнитного резонанса (ЯМР), который показывает расстояния между разными парами атомов в составе молекулы. При этом информации ЯМР недостаточно, и поэтому часто также используется компьютерное моделирование.
Для поиска наиболее точных параметров молекулярного моделирования липидов был создан открытый международный консорциум NMRlipids, в котором участвуют и ученые из МФТИ. В рамках консорциума ученые вместе проводят моделирование липидов с использованием разных параметров, а потом сравнивают результаты между собой и с результатами экспериментов. Ранее консорциум уже публиковал статьи по отдельным липидам, но разные липиды не сравнивали между собой и не изучали взаимодействие с белками.
«Проект NMRlipids является интересным примером открытой науки, где все результаты в любой момент видны любому желающему, а участие никак не ограничено. В случае успеха мы найдем наилучшие параметры для моделирования липидов, что позволит гораздо лучше изучать клеточные и искусственные мембраны», – рассказывает Иван Гущин из Центра исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ.
В опубликованной журналом Американского химического сообщества работе авторы исследовали, какие структуры и на какую долю времени принимают разные распространенные в природе липиды (фосфатидилхолин и другие). Изученные липиды формировали разные мембраны – заряженные и незаряженные – и взаимодействовали с мембранными белками. Проведенное моделирование, основанное на прямом вычислении координат атомов в каждый момент времени, показало, что ни один из подходов не воспроизводит пространство состояний липидов точно. Однако примененные в Гарварде параметры моделирования давали наиболее приближенные к реальным результаты. Из экспериментальных данных известно, что каждый из видов липидов может в разных состояниях связываться с широким набором белков. При этом разные липиды имеют разные предпочтительные конформации, в которых их можно чаще наблюдать. Благодаря этому некоторые липиды могут легче связываться с конкретными белками.
Помимо сотрудников МФТИ, в исследовании принимали участие ученые из других институтов России, Франции, Испании, Великобритании, Мексики, Германии, Чехии, Финляндии, США, Голландии и Португалии.