움직이는 단백질 촬영

[아름이]

움직이는 단백질 촬영
연구원들은 야심 찬 목표에 더 가까워졌습니다.
날짜:
2023년 3월 15일
원천:
캘리포니아 대학교 - 샌타바버라
요약:
단백질은 생화학의 중량물입니다. 이 육중한 분자는 빌딩 블록, 수용체, 프로세서, 전달자 및 촉매 역할을 합니다. 당연히 과학자들은 단백질을 이해하고 조작하기 위해 많은 연구를 수행했습니다.

전체 이야기
단백질은 생화학의 중량물입니다. 이 육중한 분자는 빌딩 블록, 수용체, 프로세서, 전달자 및 촉매 역할을 합니다. UC Santa Barbara의 물리학 교수인 Mark Sherwin은 "단백질은 지구상의 모든 생명체에 동력을 공급하는 분자 기계입니다."라고 설명했습니다. 당연히 과학자들은 단백질을 이해하고 조작하기 위해 많은 연구를 수행했습니다.

Sherwin을 포함하여 UC Santa Barbara의 연구원들이 이끄는 팀은 현대 과학의 큰 과제 중 하나인 살아있는 것과 같은 환경에서 움직이는 단백질을 기록하는 데 큰 진전을 이루었습니다. 저자들은 German Chemical Society의 저널인 Angewandte Chemie 에서 그들의 기술에 대해 논의합니다. 이 접근법은 단백질이 어떻게 역할을 하는지에 대한 우리의 이해를 혁신적으로 변화시키고 특정 목적을 위한 단백질 설계를 안내할 수 있습니다.

벅찬 도전

단백질의 기능을 이해하려면 단순히 부품 목록 이상이 필요합니다. 이러한 분자의 경우 형태가 기능을 낳습니다. 과학자들은 지난 20년 동안 단백질을 형성하는 아미노산 빌딩 블록을 기반으로 단백질의 모양을 해독하는 데 엄청난 발전을 이루었습니다.

그러나 기계의 모양을 보는 것만으로도 작동 방식을 이해하는 데 충분하지 않은 경우가 많습니다. "당신이 외계인이고 재봉틀 사진을 본다고 상상해보세요." Sherwin이 말했습니다. "당신은 그것이 무엇을 하는지 이해하기 어려울 것입니다. 그러나 당신이 영화를 본다면, 당신은 훨씬 더 좋은 아이디어를 갖게 될 것입니다."

불행히도 이것은 단백질에 대한 어려운 주문입니다. 상대적으로 큰 분자이지만 단백질은 여전히 ​​크기가 몇 나노미터에 불과하여 가장 강력한 광학 현미경으로도 분해할 수 있는 것보다 100배 작습니다. 그리고 그들은 영화 촬영에 도움이 되지 않는 축축하고 물렁물렁한 환경에 존재합니다.

"일반적으로 생물학에서 가장 큰 도전 중 하나는 단백질이 작용하는 것을 보는 것입니다."라고 화학 박사 과정 학생인 공동 저자인 Shiny Maity는 설명했습니다. 단백질이 얼었을 때 과학자들이 단백질의 구조를 보는 것이 훨씬 더 쉽습니다. 그들이 움직이는 것을 보려면 스톱 모션 애니메이션과 같은 기술이 필요합니다. 동작 시작, 단백질 동결, 이미지 캡처, 반복. 이것은 빠르고 느린 움직임 모두에 대해 종종 엄청나게 어렵습니다. 게다가 단백질을 급속 동결하면 구조에 영향을 줄 수 있습니다.

물리학 대학원생인 공동 저자인 브래드 프라이스(Brad Price)는 "우리가 가진 목표는 동결 측면을 완전히 제거하고 가능한 한 실제와 같은 환경에서 단백질의 움직임을 관찰하는 것"이라고 말했습니다.

복잡한 기술

이 논문은 외부 이벤트(이 경우 가시광선 펄스)에 의해 단백질의 움직임이 시작된 후 실제와 같은 환경에서 단백질의 움직임을 추적하는 새로운 방법을 보여줍니다. 저자는 시간 분해 가돌리늄-가돌리늄 전자 상자성 공명을 위해 기술을 TiGGER라고 부릅니다. 정교하고 양자 현상, 숙련된 화학, 특수 장비 및 생명 공학이 필요합니다.

TiGGER에는 단백질의 두 지점에 태그를 지정하고 단백질이 펼쳐지고 다시 접힐 때 이러한 레이블 사이의 거리를 추적하는 작업이 포함됩니다. 쇼의 스타는 하전된 가돌리늄 원자 또는 이온입니다. 그것의 전자는 이온이 작은 자석처럼 행동하는 방식으로 정렬됩니다. 강한 자기장에 놓으면 외부 자기장과 정렬되거나 반대 방향으로 정렬되어 흔들리기 시작합니다.

과학자들은 가돌리늄을 분자 우리에 집어넣어 안정화시키고 단백질과 연결하기 위해 화학적 스캐폴딩을 추가합니다. 그러나 그 비트는 한 종류의 아미노산인 시스테인에만 연결됩니다. 그래서 팀은 단백질의 전반적인 기능에 영향을 미치지 않으면서 시스테인에 꼬리표를 붙일 아미노산을 변경해야 했습니다. 단백질의 기능에 중요한 역할을 하는 단백질 중심에 있는 시스테인에 의해 더욱 까다로워진 작업이었습니다.

"스핀 레이블은 매우 전략적으로 선택되었습니다."라고 Maity는 말했습니다. "기능성 시스테인이 위치하는 단백질의 코어에 들어가지 않을 정도로 크지만 단백질의 본연의 형태를 방해할 정도로 너무 크지도 않습니다."

가돌리늄 이온의 흔들림 또는 "세차"는 자신의 작은 자기장을 생성하는 흔들리는 가돌리늄 이온을 갖는 다른 태그의 근접성에 의해 영향을 받습니다. 이 세차는 두 태그가 서로 얼마나 가까운지에 따라 변경됩니다. 이 흔들림을 측정하면 거리를 구할 수 있습니다.

이것이 바로 저자가 전자레인지에 있는 것보다 약간 더 높은 에너지의 빛을 가진 레이저를 사용하여 수행한 것입니다. 이 테라헤르츠 이하의 파동의 주파수와 이온의 세차가 일치하면 파동이 흡수됩니다. 그런 다음 과학자들은 가돌리늄 세차의 작은 변화를 감지하기 위해 이 흡수를 측정했습니다. 흡수량이 시간에 따라 변하면 태그가 움직이고 있음을 의미합니다.

수학을 더 추가하면 작성자가 태그가 서로 얼마나 떨어져 있는지 알려줄 수도 있습니다. "우리는 시간의 함수로 거리를 얻을 수 있다는 것을 알고 있지만 더 많은 개발이 필요할 것입니다."라고 Price는 말했습니다.

빛나는 단백질

저자는 TiGGER를 개발하기 위해 대중적이고 다재다능한 단백질을 선택했습니다. 그들의 모델은 빛, 산소 또는 전압(LOV)에 민감한 단백질 계열, 특히 AsLOV2라고 하는 빛 활성화 단백질에 속합니다. "LOV 단백질은 박테리아, 식물 및 균류의 일주기 리듬에서 식물 및 미생물의 굴광성(phototropism)에 이르는 과정을 제어합니다. "요약하면, 그들은 광 감지와 밀접하게 연결되어 있습니다."

이 속성으로 인해 AsLOV2는 과학자와 엔지니어에게 인기가 있고 조작이 간단합니다. Price는 "흥미롭고 완벽한 테스트 사례"라고 말하며 "양쪽 모두에서 최상의 상황"이라고 말했습니다.

LOV 단백질은 과학자들이 빛을 세포의 전체 분자 과정에 대한 "원격 제어"로 사용할 수 있도록 합니다. "우리는 그것을 줄기 세포 분화, 항체 결합, 세포외 기질 단백질의 강화 및 이완, 세포 신호 경로의 활성화를 제어하는 ​​데 사용합니다."라고 Wilson은 말했습니다.

화학 공학과의 Arnab Mukherjee 조교수는 LOV 단백질을 사용하여 블랙 라이트 아래 형광펜처럼 형광을 사용하여 살아있는 세포의 생화학 과정을 추적합니다. "기존의 형광 단백질과 달리 LOV 단백질은 산소가 없는 조건에서도 '빛'을 볼 수 있도록 하는 독특한 메커니즘에 의해 작동합니다."라고 그는 설명했습니다. 이것은 인간의 장과 같은 혐기성 환경에 사는 미생물을 연구하는 도구를 제공합니다.

그러나 연구자들이 원하는 것을 하기 위해 이러한 단백질을 조작하는 것은 까다롭습니다. TiGGER가 유용한 곳입니다. Wilson 및 Mukherjee와 같은 과학자가 움직이는 단백질을 볼 수 있다면 디자인 프로세스에서 더 신중할 수 있습니다.

미래를 향한 눈

수석저자인 Sherwin과 화학과 교수인 Songi Han은 2006년에 처음으로 필름 단백질에 대한 탐구를 시작했지만 TiGGER는 아직 초기 단계입니다. 현재 이 기술은 두 지점 사이에서 단백질 이동의 1차원 궤적을 생성할 수 있습니다. 그러나 그 진정한 힘은 여러 다른 사이트에서 이 기술을 반복하는 데서 나옵니다. 이를 통해 과학자들은 전체적으로 단백질의 움직임을 종합할 수 있습니다. 그런 다음 이 움직임을 단백질 모델에 매핑하여 우리가 좋아하는 만화 캐릭터에 생명을 불어넣는 CGI 애니메이션과 유사한 방식으로 영화를 만들 수 있습니다.

저자는 AsLOV2의 다른 사이트에 적용하는 데 시간을 투자하기 전에 기술을 최적화하는 데 중점을 둡니다. 그들은 신호 대 잡음비를 높이고 장비의 샘플링 속도를 높이기 위해 노력하고 있습니다. 연구팀은 또한 단백질이 용액에 떠 있을 때 단백질의 무작위적인 움직임을 늦추어 지금보다 더 선명한 영상을 캡처할 수 있기를 바라고 있습니다.

그 동안 Price와 Maity는 TiGGER를 사용하여 AsLOV2에 대한 몇 가지 기본적인 질문에 답하고 있습니다. 예를 들어, 단백질이 다시 접히는 것보다 1,000배 이상 빠르게 펼쳐지는 이유는 무엇입니까? 그리고 리폴딩에 영향을 미치는 것으로 알려진 돌연변이는 언폴딩에 어떤 영향을 미칠까요? 그들은 또한 더 뜨거운 조건이 단백질의 기능에 어떤 영향을 미치는지 조사하고 있습니다. 그 결과는 AsLOV2의 근원인 귀리가 기후 변화에 어떻게 대응할 것인지를 밝힐 수 있습니다.

결국 TiGGER는 과학자들이 단백질의 기능에 영향을 미치지 않고 관심 부위를 시스테인 아미노산으로 수정할 수 있는 한 모든 종류의 다른 단백질로 번역될 수 있습니다. "생물 물리학자들은 생물학적 기능에 대한 심층적인 이해를 얻기 위해 움직이는 단백질을 '촬영'하기 위해 노력해 왔습니다."라고 Maity는 말했습니다. "TiGGER는 이 꿈을 실현할 잠재력이 있습니다."

출처 : https://www.sciencedaily.com/