Ионные каналы фторида были только недавно обнаружены, и исследования намекнули на необычную структуру, которая могла бы объяснить их замечательную селективность для фторида. Однако эти каналы маленькие и были чрезвычайно сложными, чтобы кристаллизовать, который к настоящему времени предотвратил расследования их строения атома.
В исследовании, опубликованном по своей природе 7 сентября 2015, международная команда ученых преодолела эти ограничения и впервые решила строение атома ионного канала фторида. Они обнаружили уникальную архитектуру «с двойным стволом», которая содержит два пути, через которые ионы фторида текут, представляя новый механизм транспорта ионов. Их результаты проливают свет на эволюцию этих каналов и позволяют новым подходам изменить свою функцию с возможным применением, таким как развитие новых антибиотиков.Ключевыми технологическими инновациями, которые позволили этот успех, было использование монотел – маленькие, синтетические белки, которые могут быть изготовлены на заказ, чтобы связать с очень определенными местоположениями на целевых белках.
Монотела были спроектированы, чтобы функционировать как ‘компаньонок кристаллизации’, которые стабилизировали и выровняли ионные каналы фторида, таким образом, их структура могла быть определена.«Очень ясно, что синтетический продукт, обязательные технологии теперь зрелы», сказал соавтор исследования Шохеи Койд, доктор философии, преподаватель биохимии и молекулярной биофизики в Чикагском университете и мировом лидере в исследовании монотела и дизайне. «Монотела усовершенствованы и достаточно сильные, чтобы напасть на важные вопросы в биологии и медицине, такие как структура ионного канала фторида, но они могут также использоваться, чтобы произвести молекулы, которые почти немедленно полезны в промышленности. Это захватывающе для нас, в то время как мы продолжаем показывать много возможностей этой сильной технологии».Семья Fluc ионных каналов фторида была недавно обнаружена, и исследования команды во главе с Кристофером Миллером, доктор философии, Следователь HHMI и преподаватель биохимии в Университете Брандейса, нашел, что они среди самых отборных каналов, все же определенных.
Это имеет замечательную специфику для фторида и может отличить его от тесно связанного иона хлорида.Чтобы определить строение атома этих каналов, техника, известная как, кристаллография рентгена должна использоваться. Это требует, чтобы белок канала был очищен и кристаллизован (выровненный высоко заказанным, восстанавливаемым способом).
Однако мембранные белки нестабильны, когда удалено из их родной среды. Чтобы обойти это, традиционные биохимические методы используют моющие соединения, чтобы замаскировать и стабилизировать площади поверхности, которые когда-то проживали в клеточной мембране, позволяя кристаллизации произойти.
Для ионного канала фторида площадь поверхности, которая покрыта моющими соединениями, оказалось, была слишком много для кристаллического формирования, чтобы произойти, из-за небольшого размера канала и почти закончить embedment в мембране.Чтобы обратиться к этой проблеме, Koide, Миллер и их команды проектировали монотела, которые связали, чтобы предназначаться для местоположений на ионном канале фторида – определенно, две маленьких поверхности, не включенные в клеточной мембране. Это существенно расширило площадь поверхности, которая могла использоваться, чтобы кристаллизовать каналы.
Кроме того, у монотел есть определенные свойства, которые позволяют им выравнивать друг с другом высоко восстанавливаемым способом, далее позволяя создание устойчивой решетки. Эти две группы далее сотрудничали с Саймоном Ньюстидом, доктором философии, и его командой из Оксфордского университета, и использовали новую технологию кристаллизации для мембранных белков. Это сотрудничество с тремя путями привело к строению атома канала.
Исследователи обнаружили, что ионный канал фторида состоит из двух главных стандартных блоков, которые собираются вместе антипараллельным способом. У большинства типичных ионных каналов есть только одна пора через который ions¬ ¬ поток при всей сборке каналов, но канал Fluc, как находили, имел два. Эта архитектура напоминает другой класс мембранных белков, названных транспортерами, которые используют энергию активно накачать ионы через клеточную мембрану. Однако каналы Fluc не требуют энергии.
Это подобие и различие принудили исследователей предлагать, чтобы термин «channsporter» мог быть применен к этим каналам.«Функция этой молекулы – канал, но архитектура больше похожа на транспортер», сказал Койд. «Эволюционно, это довольно интересно.
Это требует дальнейшего исследования, но этот белок появляется, как будто это развилось из чего-то, у чего, вероятно, была антипараллельная геометрия, которая была важна для целостности, не обязательно функционируют».Монотела также представляют первые известные молекулы, естественные или синтетические, тот блок канал Fluc.
Структура с блокатором позволила более глубокий анализ того, как ионы фторида текут через канал. В то время как это исследование дало представления относительно замечательной чувствительности канала, дополнительные исследования идут полным ходом, чтобы далее объяснить ее физическую динамику.Способность определенно заблокировать ионный канал с монотелами также указывает на интригующие возможности для переводных заявлений. Например, блокирование ионного канала фторида в нежелательных микроорганизмах, таких как патогенные бактерии вызвало бы смертельное накопление фторида, когда они выставлены чему-то столь же общему как водопроводная вода.
Это могло представлять абсолютно новую стратегию развития мощных антибиотиков.«Со структурой, теперь известной, мы можем выяснить точно, как работают ионные каналы фторида и как управлять их функцией», сказал Койд. «Это – голубое небо, но мы можем, конечно, предположить делающие различные ингибиторы каналов с монотелами, которые могли, возможно, быть предназначены против вредных клеток и микроорганизмов».
«На данный момент это исследование представляет доказательство понятия, что монотела могут быть разработаны, чтобы работать с очень трудными целями сделать ингибиторы и определить структурную информацию», добавляет он. «Мы теперь работаем с сотрудниками на подобных применениях во многих других системах».