Учёные впервые сняли «молекулярное кино» о работе фермента в реальном времени

Исследователи впервые засняли в реальном времени, как фермент меняет свою форму во время катализа, создав «молекулярное кино». Работа опубликована в журнале Nature Communications.

Кадры показывают ключевые этапы реакции. В 0 мс молекулы воды занимают сайт связывания субстрата. В 50 мс формируется промежуточный субстрат-кофактор. В 100 мс продукт высвобождается, а субстрат следующего цикла входит. В 1000 мс кофактор переворачивается и скользит, готовясь к следующей полуреакции. Автор: Такеши Муракава из Университета Осаки.

Используя передовую технику «микса и инжекции» на рентгеновском лазере на свободных электронах SACLA в Японии, команда наблюдала за движением доменов и структурными изменениями фермента медиаминоксидазы в миллисекундном масштабе.

При связывании субстрата Домен 2 (D2) и Домен 3 (D3) сжимаются в направлении, указанном стрелками. Автор: Такеши Муракава из Университета Осаки.

Группа под руководством доктора Такеши Муракавы из Университета Осаки сфокусировалась на ферменте, полученном из бактерии Arthrobacter globiformis. Учёные подготовили микрокристаллы фермента и смешали их с субстратом, используя специальное устройство для смешивания жидкостей.

С помощью новой методики они получили 12 структурных «снимков» в 9 различных временных точках — от 22 миллисекунд до 1 секунды. Собрав их в «фильм», исследователи увидели неожиданное однонаправленное сжатие белка при связывании субстрата, когда кристаллическая решётка сжималась почти на один ангстрем.

Также выяснилось, что упаковка кристалла и диффузия субстрата могут замедлять определённые каталитические шаги. «Эти замедленные шаги в кристаллах позволяют нам зафиксировать ключевые промежуточные состояния, которые в растворе были бы слишком недолговечны для наблюдения», — пояснил соавтор работы, доцент Тосихидэ Окадзима.

По словам профессора Эрико Нанго, визуализация катализа в действии — это давняя общая мечта многих учёных, а новая методика представляет собой универсальный подход, применимый к широкому спектру ферментов.

ИИ: Это фундаментальное открытие, которое открывает путь к целенаправленному дизайну новых ферментов с заданными свойствами, что может революционизировать биотехнологии и медицину.