Onderzoekers van het Instituut voor Nanowetenschappen en Nanotechnologie van de Universiteit van Barcelona (IN2UB) hebben de eerste computationele studie gepresenteerd die de natuurlijke selectie van eiwitten in water onder verschillende omgevingsomstandigheden nabootst, gericht op het ontwerpen van aminozuursequenties die hun functies bij specifieke temperaturen en drukken tot uitdrukking kunnen brengen.

"De resultaten zijn belangrijk om de evolutie van eiwitten op aarde te begrijpen, omdat ze verklaren waarom eiwitten die zijn geëvolueerd in vroege omgevingen met hoge temperaturen, in staat zijn om te werken onder de huidige omgevingsomstandigheden. We onderbouwen ook de hypothese dat veel kenmerken die in eiwitten worden waargenomen van nature ontstaan ​​wanneer het selectieproces expliciet rekening houdt met de thermodynamische eigenschappen van het oplosmiddel", legt Giancarlo Franzese uit, onderzoeker aan het IN2UB.

"Bijvoorbeeld, met onze resultaten kunnen we verklaren waarom het oppervlak van een gevouwen eiwit niet 100 procent hydrofiel is, iets dat energetisch ongunstig is, " voegt Valentino Bianco toe, die een doctoraat in de natuurkunde heeft behaald aan de Universiteit van Barcelona en nu een postdoctoraal onderzoeker is aan de Universiteit van Wenen.

Eiwitten en hun omgeving

Eiwitten zijn grote en complexe moleculen die veel kritieke functies vervullen in levende cellen. Eiwitten hebben een reeks temperaturen en drukken waarvoor ze stabiel zijn. Veel levensvormen gedijen goed onder extreme temperaturen en druk, wat inhoudt dat hun eiwitten van nature zijn geselecteerd voor hun omgeving. Dankzij deze onderzoeksstudie, die is gepubliceerd in het tijdschrift Pysical Review X, hoe selectie reageert op drastische veranderingen in een waterige omgeving wordt nu begrepen.

De simulaties zijn gebaseerd op een nieuw model waarin eiwitten zich aanpassen aan een reeks thermodynamische omstandigheden. "We vinden dat het eiwitselectieproces sterk afhangt van de moleculaire eigenschappen van het omringende water, " legt Giancarlo Franzese uit. Eiwitten die bij hogere temperaturen zijn geselecteerd, zijn ook stabiel over een groter bereik van temperaturen en drukken dan die geselecteerd bij lagere temperaturen. "We laten ook zien dat eiwitten bij hoge temperaturen een scheiding vertonen tussen hydrofiel oppervlak en hydrofobe kern dan geselecteerde eiwitten bij lagere temperatuur, " voegt Franzese eraan toe. Daarom de sequentie-segregatie van een ontworpen eiwit hangt af van de selectietemperatuur en -druk, wat consistent is met wat wordt waargenomen in natuurlijke eiwitten die onder verschillende omgevingsomstandigheden werken.