Исследователи использовали эволюционное «путешествие во времени», чтобы узнать, как фермент эволюционировал с течением времени от одного из самых древних организмов Земли до современных людей, - пишет eurekalert.org.
«Различие между прошлым, настоящим и будущим - всего лишь очень стойкая иллюзия», - писал Альберт Эйнштейн. Возможно, это нигде так не очевидно, как в эволюции белков, где прошлые и настоящие версии одного и того же фермента существуют сегодня у разных видов, что имеет значение для дизайна ферментов в будущем.
«Если человек живет в современном Риме, он может захотеть узнать о Древнем Риме, чтобы лучше понять, кто он, - говорит Магнус Вольф-Вац, доктор философии, главный исследователь проекта. - Таким же образом мы можем оглянуться назад во времени на более древние формы ферментов, чтобы понять, как белки работают сегодня и как мы можем создавать новые версии в будущем».
Вольф-Ватц из Университета Умео в Швеции обратился к примитивным организмам, известным как археи, живущим примерно 2–3 миллиарда лет назад. Эти одноклеточные формы жизни, которые существуют до сих пор, обладают характеристиками как прокариот (бактерий, у которых отсутствует клеточное ядро), так и эукариот (организмов, таких как растения, животные и грибы, которые имеют ядро в своих клетках). Ветвь архей, известная как филум Асгарда, открытая в 2015 году, включает в себя ближайших известных предков эукариотических клеток. Было идентифицировано четыре типа архей Асгарда, в том числе археи Одина, обнаруженные в гидротермальных жерлах глубоко в Атлантическом океане.
У архей Одина есть фермент под названием аденилаткиназа (AK), который также содержится в прокариотах и эукариотах. Вольф-Ватц ранее изучал два типа этого фермента у человека - AK1 и AK3. Оба важны для поддержания энергетического баланса в клетках, но AK1 находится в цитоплазме, где он передает фосфатную группу от аденозинтрифосфата (АТФ, основного энергоносителя в клетках) в аденозинмонофосфат (АМФ). Напротив, AK3 находится в митохондриях, где он переносит фосфатную группу от гуанозинтрифосфата (ГТФ, молекула, подобная АТФ, но с другими функциями) к AMФ.
Команда Вольфа-Ватца использовала рентгеновскую кристаллизацию и спектроскопию ядерного магнитного резонанса для изучения структур AK1 и AK3, обнаружив, что, хотя ферменты очень похожи, у них есть тонкое различие в области короткой петли, которая заставляет AK1 предпочитать АТФ и AK3 - предпочитать ГТФ. «Теперь мы можем взять любой фермент АК, посмотреть на структуру этой петли и предсказать, будет ли он использовать АТФ или ГТФ», - говорит Вольф-Ватц. Следующим шагом было изучение более древней версии фермента AK - от архей Одина - чтобы узнать, как AK1 и AK3 эволюционировали, чтобы предпочесть разные нуклеотидные субстраты.
Исследователи очистили АК архей и определили ее структуру. Они обнаружили, что петля, важная для различения АТФ и ГТФ, намного длиннее в ферменте архей и имеет химические группы, которые могут связывать любой нуклеотид. «То, что мы обнаружили, является ранним предком АК человека, который обладает двумя способностями - он может использовать как АТФ, так и ГТФ, - говорит Вольф-Ватц. - В ходе эволюции он стал специализироваться, чтобы стать специфичным для одного или другого, в зависимости от клеточного компартмента, в котором он находится». AK архей действительно может использовать все встречающиеся в природе нуклеотидтрифосфаты (НТФ). «Мы обнаружили универсальный мотив связывания НТФ, который может стать строительным блоком для будущей разработки новых ферментов», - говорит Вольф-Ватц.
АК архей содержит три копии фермента (известные как тример), которые связываются друг с другом посредством спиральной структуры. В АК человека мутация в этой области делает копии фермента неспособными прикрепляться друг к другу. Человеческие ферменты, которые функционируют независимо, почти в 1000 раз активнее. Тример мог быть более стабильным в экстремальных условиях гидротермальных источников, но человеческие ферменты могли обменять эту термостабильность на более высокую активность, что важно в более прохладной среде, говорит Вольф-Ватц.
Затем исследователи хотят разработать новые ферменты, которые могут быть полезны в органическом синтезе или разработке лекарств. Они также хотят изучить другие ферменты архей Одина и изучить, как они могли эволюционировать на протяжении эпох. «Мы изучили один фермент и сделали это фантастическое открытие, - говорит Вольф-Ватц. - Конечно, там остается нечто, что можно найти. Как будто мы копаемся в сундуке с сокровищами».
Фото: rawpixel / 123RF
