Oude eiwitten kunnen aanknopingspunten bieden voor het construeren van eiwitten die bestand zijn tegen de hoge temperaturen die vereist zijn in industriële toepassingen, volgens nieuw onderzoek gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences . Onderzoekers gebruikten experimenten om kritische verschillen tussen 15 eiwitten uit de thioredoxine-familie te onderzoeken, waaronder zeven uitgestorven eiwitsequenties die meer dan 4 miljard jaar oud zijn en zijn herrezen met behulp van voorouderlijke sequentiereconstructies.

"In industriële toepassingen, eiwitten zouden een deel van het werk van chemicaliën kunnen doen met minder energie en minder toxiciteit, maar ze moeten bestand zijn tegen de hogere temperaturen van industriële processen, " zei George Makhatadze, een Constellation Professor of Biocomputation and Bioinformatics en lid van het Centre for Biotechnology and Interdisciplinary Studies aan het Rensselaer Polytechnic Institute. "Dit onderzoek suggereert dat voorouderlijke reconstructiemethoden kunnen worden gebruikt om eiwitten te ontwerpen die langzamer ontvouwen, meer bruikbaarheid bieden, bij hogere temperaturen."

Uit de experimenten bleek dat het verschil in stabiliteit tussen eiwitten van dezelfde familie voornamelijk wordt veroorzaakt door verschillen in de energie die nodig is om de eiwitten te ontvouwen, een bevinding die een lang gekoesterde theorie bevestigt die bekend staat als het "principe van minimale frustratie, " ongeveer 30 jaar geleden voorgesteld door natuurkundigen.

Eiwitten zijn moleculaire ketens waarin elke schakel een van de 20 aminozuren is. Zodra de ketting is gemonteerd, verschillende krachten over de lengte werken op elkaar in, waardoor de snaar draait en draait, en uiteindelijk vouwen in een driedimensionale vorm. Het eiwit kan alleen zijn functie vervullen als het goed is opgevouwen. De meeste eiwitten blijven gevouwen binnen een bepaald temperatuurbereik, pH, of drukomstandigheden, afbreken bij blootstelling aan omstandigheden buiten deze toleranties.

Niet alle regels voor eiwitvouwing zijn bekend, en Makhatadze wilden begrijpen hoe eiwitten binnen dezelfde familie, met een vergelijkbare structuur, zijn in staat om dezelfde levensondersteunende functie uit te voeren in enorm verschillende thermische omgevingen. Thioredoxines, bijvoorbeeld, zijn aanwezig in alle organismen, van degenen die in de buurt van kokende hydrothermale bronnen leven tot ijskoude Arctische wateren.

Een bekende regel helpt verklaren waarom er een astronomisch aantal sequenties mogelijk is voor eiwitten met honderden en zelfs duizenden schakels, maar slechts een kleine subset van die mogelijke sequenties wordt in de natuur gevonden. Deze regel, het principe van minimale frustratie, stelt dat de natuur alleen die reeksen kiest die het meest efficiënt vouwen, ongewenste interacties tussen aminozuren verminderen en sneller produceren, minder gefrustreerd, vouw patronen.

Om consistent te zijn met het principe van minimale frustratie, Makhatadze zei, eiwitten met vergelijkbare structuur maar verschillende thermodynamische stabiliteit zouden langs hetzelfde efficiënte patroon moeten vouwen, maar degenen met een groter vermogen om warmte te verdragen, zouden meer tijd nodig hebben om zich te ontvouwen. experimenten, eerst uitgevoerd met acht moderne thioredoxines, bleek de hypothese juist te zijn.

"We hebben de vouwsnelheid van thioredoxines getest, een familie van eiwitten die dezelfde functie vervullen, maar omdat ze in verschillende thermische omstandigheden functioneren, moeten ze verschillend zijn in termen van thermodynamica, " zei Makhatadze. "En wat we hebben waargenomen is dat voor deze eiwitten, ze folden inderdaad met dezelfde snelheid, maar ze ontvouwen zich met een ander tempo - dat is wat we voorspelden."

In de volgende stap, onderzoekers testten uitgestorven versies van thioredoxines die waren verkregen met behulp van een techniek die reconstructie van voorouderlijke sequenties wordt genoemd. De uitgestorven versies ontvouwden zich langzamer dan moderne versies, in sommige gevallen vouwen 3, 000 keer langzamer dan een moderne tegenhanger.

"Hier hebben we twee versies van een eiwit uit dezelfde familie en één ontvouwde zich in zeven seconden, de andere in zes uur, "Zei Makhatadze. "Dat betekent dat je zes uur lang in plaats van zeven seconden een nuttige functie uit het eiwit kunt halen. Dit toont aan dat reconstructie van de voorouderlijke sequentie een route kan zijn naar eiwitten die stabieler zijn bij hoge temperaturen."

De bevinding wordt ondersteund door eerder gepubliceerd onderzoek en geochemische gegevens die aangeven dat de aarde en haar oceanen in het verre verleden heter waren.

"Eerder onderzoek ondersteunt de bevinding dat oudere eiwitten stabieler zijn, maar dit nieuwe onderzoek toont aan dat deze oude eiwitten stabieler zijn omdat ze zich langzamer ontvouwen, ' zei Makhatadze.

"Bewijs voor het principe van minimale frustratie in de evolutie van eiwitvouwingslandschappen" kan worden gevonden met behulp van de digitale object-ID DOI:10.1073/pnas.1613892114. Het onderzoek werd ondersteund door de National Science Foundation. Makhatadze werd in het onderzoek vergezeld door Fanco Tzul, een postdoctoraal onderzoeksmedewerker, en afgestudeerde student Daniel Vasilchuk.

Het onderzoek van Makhatadze wordt mogelijk gemaakt door de visie van The New Polytechnic, een opkomend paradigma voor hoger onderwijs dat erkent dat mondiale uitdagingen en kansen zo groot zijn dat ze niet adequaat kunnen worden aangepakt door zelfs de meest getalenteerde persoon die alleen werkt. Rensselaer fungeert als een kruispunt voor samenwerking:door samen te werken met partners uit verschillende disciplines, sectoren, en geografische regio's - om complexe mondiale uitdagingen aan te pakken, met behulp van de meest geavanceerde tools en technologieën, waarvan vele bij Rensselaer worden ontwikkeld. Onderzoek bij Rensselaer richt zich op enkele van 's werelds meest urgente technologische uitdagingen - van energiezekerheid en duurzame ontwikkeling tot biotechnologie en menselijke gezondheid. The New Polytechnic is transformatief in de wereldwijde impact van onderzoek, in zijn innovatieve pedagogiek, en in het leven van de studenten van Rensselaer.