Onderzoekers in de Verenigde Staten en Duitsland hebben zojuist een voorheen over het hoofd gezien deel van eiwitmoleculen ontdekt dat de sleutel zou kunnen zijn tot hoe eiwitten met elkaar omgaan in levende cellen om gespecialiseerde functies uit te voeren.

De onderzoekers ontdekten kleine stukjes moleculair materiaal - die ze "add-ons" noemden - aan de buitenranden van de eiwitinterface die aanpassen wat een eiwit kan doen. Ze kozen de naam omdat de add-ons de interface tussen eiwitten aanpassen zoals software-add-ons een webinterface met een gebruiker aanpassen.

Hoewel het al lang bekend is dat eiwitten een grensvlakgebied hebben waar ze verbinding maken met andere eiwitten, het is niet precies duidelijk hoe belangrijke eiwitten elkaar kunnen vinden in een overvolle cellulaire omgeving die tienduizenden andere eiwitten kan bevatten.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van de Ohio State University en de University of Regensburg rapporteren in de Proceedings van de National Academy of Sciences dat het de add-ons zijn die ervoor zorgen dat eiwitten exclusief verbinding kunnen maken met de juiste toegewijde partner.

Florian Busch, een postdoctoraal onderzoeker in chemie en biochemie aan de Ohio State en co-auteur van de studie, noemde het bestaan ​​van eiwit-add-ons "een voorheen onbekend fundamenteel aandrijfprincipe" om ervoor te zorgen dat eiwitten op specifieke manieren op elkaar inwerken.

De onderzoekers experimenteerden met levende bacteriën, wat het belang aantoont van add-ons voor normale cellulaire functies. Bijvoorbeeld, ze bepaalden dat in het organisme Bacillus subtilis , waarin een unieke interface-add-on ontbreekt, bacteriekolonies groeiden onder bepaalde omstandigheden 80 procent minder. De reden hiervoor was dat de ontbrekende interface-add-on leidde tot ongezonde kruisinteracties van eiwitten in de B. subtilis cellen.

Het is moeilijk om het belang van eiwitten voor het leven zoals we dat kennen te overschatten. Enzymen zijn eiwitten die chemische reacties in cellen mogelijk maken. Antilichamen zijn eiwitten die zich binden aan vreemde indringers in het lichaam. De lijst bevat duizenden kritieke functies. In de meeste gevallen, eiwitten moeten zich met elkaar verbinden en groepen vormen die eiwitcomplexen worden genoemd om zulke uiteenlopende taken uit te voeren.

Maar hoe eiwitten precies in staat zijn om alles te doen wat ze doen, is een mysterie - een mysterie dat geworteld is in wiskunde en geometrie. Er zijn 20 bekende aminozuren die in lange ketens aan elkaar zijn gekoppeld en zich vervolgens opvouwen om eiwitten te vormen. Het is de vouw die de generieke vorm van een eiwit bepaalt, of geometrie. Hoewel er slechts ongeveer 1 000 bekende eiwitgeometrieën in de natuur, op de een of andere manier zijn eiwitten in staat om complexen te vormen die honderdduizenden zeer specifieke functies vervullen.

Maximiliaan Plas, hoofdauteur van het artikel en biochemicus aan de Universiteit van Regensburg, legde uit hoe de onderzoekers wisten waar ze moesten zoeken om het mysterie op te lossen.

"Er is veel werk gestoken in het analyseren hoe eiwitten met elkaar omgaan en hoe de interfaces eruit zien, hoe ze zijn opgebouwd, en hoe ze evolueerden, " zei hij. "Maar de perifere gebieden van interfaces hebben niet zoveel aandacht gekregen. Ik denk dat de nieuwigheid in onze aanpak was om te kijken naar regio's die tot nu toe, als minder belangrijk beschouwd."

Het Regensburg-team, onder leiding van computationeel bioloog Rainer Merkl en eiwitbiochemicus Reinhard Sterner, analyseerde de eiwitsequenties afgeleid van meer dan 15, 000 bacteriële en archaeale genomen op een groot computercluster. Ze sorteerden eiwitten die gemeenschappelijke evolutionaire voorouders deelden in een soort stamboom, en vergeleken individuele eiwitten met hun eiwit "familieleden". Zo ontdekten ze interfacestructuren die in sommige eiwitten wel aanwezig waren, maar in andere ontbraken:de add-ons.

Busch en Vicki Wysocki, Ohio Eminent Scholar of Macromolecular Structure and Function en directeur van het Campus Chemical Instrument Center in de staat Ohio, gebruikte vervolgens native massaspectrometrie om te detecteren hoe de aan- en afwezigheid van add-ons het vermogen van eiwitten om met elkaar te interageren beïnvloedde.

"We zijn erg blij dat onze native massaspectrometrietechnologie kan helpen bij het identificeren van de rol van deze interface-add-ons - een manier voor een eiwit om zijn kritische partnereiwit te vinden, zelfs in een drukke cellulaire omgeving met vergelijkbare structuren. ' zei Wysocki.

naar Busch, een van de echt opwindende dingen van het onderzoek was het gebruik van "big data" door de onderzoekers - in dit geval volledige eiwit- en genoomdatabases.

"Ik beschouw ons werk als een belangrijk voorbeeld van hoe gebruik te maken van openbaar beschikbare gegevens om fundamentele principes in de natuur te begrijpen, en ik denk dat datamining in de toekomst steeds belangrijker zal worden op biomedisch gebied, " hij zei.