Apa organizată din jurul proteinelor, vizualizată pentru prima dată în 3D
O echipă internațională de cercetători din Japonia, Finlanda, Italia și Statele Unite a oferit prima vizualizare tridimensională directă a structurilor de hidratare dependente de secvență din jurul ansamblurilor de peptide, la rezoluție subnanometrică. Studiul, publicat în Nature Communications, a folosit microscopia de forță atomică tridimensională avansată (3D-AFM) pentru a surprinde modul în care apa se organizează în straturi multiple în jurul suprafețelor peptidice.
Rezultatele arată că apa din vecinătatea proteinelor nu este un solvent pasiv, ci formează structuri ordonate, multistratificate, influențate direct de secvența de aminoacizi și de chimia suprafeței. Aceste arhitecturi de hidratare se întind pe mai multe straturi și prezintă semnături structurale distincte, asociate cu reziduuri hidrofobe, polare, aromatice și încărcate.
Cercetătorii propun că aceste structuri nu sunt simple consecințe ale prezenței proteinei, ci fac parte integrantă din identitatea și funcția acesteia. Ei introduc conceptul de „superstructură proteică”, definit ca proteina împreună cu arhitectura sa unică de hidratare.
„Descoperirile noastre sugerează că proteinele nu pot fi înțelese pe deplin doar prin secvență și structură”, a declarat prof. Mehmet Sarikaya de la Universitatea din Washington. „Arhitectura de hidratare foarte specifică organizată de o proteină pare să facă parte din identitatea sa funcțională.”
Apa este esențială pentru aproape toate procesele biologice. Proteinele se pliază în apă, recunosc parteneri moleculari, catalizează reacții și funcționează exclusiv în medii apoase. Deși influența hidratării asupra plierii, stabilității și activității enzimatice este cunoscută de mult timp, observarea directă a organizării tridimensionale a apei de hidratare la nivel local a rămas o provocare majoră.
Folosind un sistem de peptide auto-asamblate ordonate și 3D-AFM de înaltă rezoluție, echipa a putut vizualiza structurile de hidratare cu un detaliu fără precedent. Apa se organizează în modele specifice secvenței care persistă pe mai multe straturi de hidratare înainte de a trece treptat în apa în vrac. Aceste modele creează amprente de hidratare care reflectă chimia moleculară a suprafeței peptidice.
Descoperirea ar putea ajuta la explicarea dificultății de a prezice funcția proteinelor chiar și atunci când structurile sunt bine cunoscute. În ciuda progreselor din biologia structurală și din predicția proteinelor bazată pe inteligență artificială, oamenii de știință încă întâmpină dificultăți în a prezice cu acuratețe recunoașterea moleculară, legarea liganzilor, activitatea enzimatică și specificitatea biologică doar pe baza structurilor proteice.
„O proteină nu există niciodată în izolare”, a declarat dr. Takeshi Fukuma de la Universitatea Kanazawa. „Ea există împreună cu arhitectura sa de hidratare. Înțelegerea acestei organizări cuplate proteină-apă poate fi esențială pentru a înțelege cum funcționează și interacționează proteinele în sistemele vii.”
Implicațiile se extind în biologie, medicină, biotehnologie și știința materialelor. Incorporarea arhitecturii de hidratare în studiile despre proteine ar putea îmbunătăți înțelegerea plierii proteinelor, a recunoașterii moleculare și a interacțiunilor dintre medicamente și ținte. De asemenea, ar putea oferi noi oportunități pentru ingineria proteinelor, proiectarea asistată de inteligență artificială, materiale biomimetice, interfețe catalitice, biosenzori și alte tehnologii care depind de controlul interacțiunilor în apă.
Studiul nu propune o nouă formă de „apă biologică”, ci demonstrează că apa interfacială formează structuri dinamice, dar persistente, dependente de secvență, impuse de chimia suprafeței biomoleculare. Cercetările viitoare vor extinde aceste măsurători la proteine și sisteme biologice mai complexe, cu obiectivul pe termen lung de a integra arhitecturile de hidratare în modele predictive ale structurii și funcției proteinelor.
„Proteinele au evoluat și funcționează în apă”, a declarat dr. Ayhan Yurtsever. „Dacă vrem să înțelegem pe deplin comportamentul proteinelor și să proiectăm medicamente, proteine și biomateriale mai bune, trebuie să înțelegem nu doar proteina în sine, ci și structura de apă foarte organizată care o înconjoară. Vizualizarea directă a acestei arhitecturi ascunse deschide o dimensiune complet nouă în știința proteinelor.”
