Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Библиотека
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на новости науки


 
(на Subscribe.ru)



Библиотека

 
П. Квартальнов
Перебирая поэтический гербарий


Д. Моргачёва
Сказки дядюшки Тимуса


Н. Резник
Камень, ножницы, бумага


С. Ениколопов
Психология зла


А. Мурадова
Как писать частицу «не» в нашей солнечной стране


А. Зализняк
Из русского ударения


Н. Резник
О плавательном пузыре и половом диморфизме


В. Зелевинский
Последний из могикан. Памяти Бориса Ерозолимского


Е. Веселовская
Вызов гендеру


В. Кобычев
«Солнце взойдет...»







Главная / Новости науки версия для печати

Создана молекулярная машина для сборки пептидов


Схематическое изображение молекулярной машины (сверху), и молекулярной машины со связанным с ней синтезированным пептидом (снизу). Рисунок из обсуждаемой статьи в Science.

Схематическое изображение молекулярной машины (вверху), и молекулярной машины со связанным с ней синтезированным пептидом (внизу). Рисунок из обсуждаемой статьи в Science.

Исследователи из Манчестера и Эдинбурга создали примитивный искусственный аналог рибосомы — ротаксановую наномашину, способную синтезировать пептиды заданного состава. Кольцевая молекула перемещается по линейной молекуле-матрице, состоящей из цепочки ароматических колец, к которым прикреплены аминокислоты, последовательно отсоединяя аминокислотные остатки от стержня и прикрепляя их к растущему пептиду. Если настоящая рибосома присоединяет 15–20 аминокислотных остатков в секунду, то у созданной наномашины на присоединение одного остатка уходит 12 часов.

Создание искусственных наномашин (они же — молекулярные машины) — популярная сегодня область биоинженерии. Уже разработано множество молекулярных машин, выполняющих самые разные задачи: роботы из молекул ДНК (Kyle Lund, et al, 2010. Molecular Robots Guided by Prescriptive Landscapes), искусственные наномоторы (Rienk Eelkema et al., 2006. Molecular machines: Nanomotor rotates microscale objects), манипуляторы, изменяющие конформацию определенных лигандов (Takahiro Muraoka et al., 2006. Mechanical twisting of a guest by a photoresponsive host), и множество других.

Молекулярные машины часто проектируются на основе ротаксанов — класса соединений, состоящих из молекулы гантелевидной формы («стержня») и «надетой» на неё циклической молекулы («кольца»). Линейная и циклическая молекула связаны без участия химической связи, чисто механически — так называемой топологической связью. Кольцу не дают соскользнуть со стержня утолщения на концах гантели (например, разветвлённая система из ароматических колец). Например, ротаксановые машины использовались для осуществления направленного транспорта капелек жидкости (José Berná et al., 2005. Macroscopic transport by synthetic molecular machines), а также для создания своего рода переключателей, срабатывающих при освобождении (в результате изменения pH) кольцом каталитического сайта, расположенного на оси ротаксана (Victor Blanco et al., 2012. A Rotaxane-Based Switchable Organocatalyst).

Именно такую архитектуру избрали для своей молекулярной машины, синтезирующей пептиды (короткие белки), авторы недавней статьи в Science. Кольцо (макроцикл, рис. 1, №3), способное передвигаться по стержню, несет на себе каталитический сайт (рис. 1, №4), который висит на кольце. Аминокислоты, которые должны будут присоединяться к растущему пептиду, прикреплены прямо к стержню — в определённом порядке и с определённым шагом (рис. 1, №2). (О том, как осужествляется прикрепление аминокислот к молекуле-стержню, авторы, к сожалению, умалчивают).

Рис. 1. Процесс синтеза молекулярной машины (1) из стержня, несущего аминокислоты (2), макроцикла (3) и терминального домена (5), не дающего кольцу (макроциклу) соскользнуть со стержня

Рис. 1. Процесс синтеза молекулярной машины (1) из стержня, несущего аминокислоты (2), макроцикла (3) и терминального домена (5), не дающего кольцу (макроциклу) соскользнуть со стержня. Кольцо закрепляется на стержне при помощи терминального домена, после чего к кольцу присоединяется каталитический домен R. Каталитический домен содержит в своем составе затравку для будущего синтеза. К аминокислотным остаткам и затравке присоединены блокирующие группы (Boc и Trt), после отделения которых машина начинает синтез. Изображение из обсуждаемой статьи в Science

Каталитический сайт представляет собой затравку (пептид из двух аминокислот) и каталитическую SH-группу. Конец затравки и конец SH-группы вначале закрыты блоком (эти блокирующие группы можно отделить специальной химической реакцией). Каждый аминокислотный остаток не дает кольцу двигаться дальше, пока каталитический сайт, расположенный на кольце, не отделит его от стержня и не присоединит к растущему пептиду. Как только с SH-группы каталитического сайта снимается блок, она вступает в реакцию трансацетилирования с фенольным эфиром первого аминокислотного остатка, оказавшегося на пути каталитического кольца (рис. 2). Аминокислотный остаток отделяется от стержня-матрицы и повисает на SH-группе в основании затравочного пептида. Чтобы занять свое место в пептиде, аминокислотному остатку нужно перескочить на свободный конец затравки (N-конец пептида). После этого освободившаяся SH-группа вступает в реакцию со следующим аминокислотным остатком. Так, постепенно продвигаясь по стержню, кольцо собирает аминокислотные остатки на своем пути, и продолжает синтез пептида, пока каталитическое кольцо не отсоединится от освобожденного конца стержня. После этого готовый пептид можно отделить от кольца реакцией гидролиза.

Рис. 2. Синтез пептида молекулярной машиной

Рис. 2. Синтез пептида молекулярной машиной. Встретив на своем пути препятствие — аминокислотный остаток — каталитическое кольцо останавливается, отсоединяет его от стержня-основания и добавляет к растущему пептиду. Достигнув конца стержня, кольцо соскакивает с него. Готовый пептид можно отделить от кольца реакцией гидролиза. Изображение из обсуждаемой статьи в Science

Чтобы получать пептиды таким методом в больших количествах, надо просто одновременно добавить в реакционную смесь большое количество ротаксановых наномашин (кольцо + стержень с аминокислотами), что, собственно, и сделали авторы статьи. Используя одновременно 1018 молекулярных машин, они получили миллиграммы пептида.

Проверка методами ЯМР и масс-спектрометрии подтвердила, что состав синтезированных пептидов точно соответствовал ожиданиям ученых. Полученный пептид получается очень чистым, потому что при таком методе синтеза у молекулярной машины фактически нет возможности совершить ошибку, выбрав неправильный строительный блок для продолжения синтеза.

Авторы работы сравнивают свою наномашину с рибосомой — природным молекулярным ансамблем для синтеза белка.

В живой клетке белки синтезируются рибосомами из строительных блоков (аминокислот) на основе матрицы — молекулы мРНК, несущей информацию о строении белка. Рибосома присоединяется к концу молекулы мРНК и двигается по ней, добавляя к растущему белку по одной аминокислоте на каждые три нуклеотида матрицы. Перевод информации с языка нуклеотидов на язык аминокислот осуществляется благодаря специальным адапторам — аминоацил-тРНК, каждый из которых несёт в своем составе определенный остаток аминокислоты и обладает свойством распознавать определенную тройку нуклеотидов мРНК. Прочитав три нуклеотида м РНК, рибосома получает однозначную информацию о следующем строительном блоке, нужном для синтеза.

Поскольку все необходимые для синтеза блоки (аминоацил-тРНК) присутствуют в клетке, рибосоме остается только ждать, когда в нее поступит нужный. Когда соответствующая аминоацил-тРНК попадает в А-сайт рибосомы и узнает нуклеотиды матрицы, присоединенный к ней остаток аминокислоты переносится на растущий белок, находящийся в P-сайте рибосомы. После этого рибосома сдвигается относительно мРНК на три нуклеотида, и ждет появления следующей необходимой молекулы аминоацил-тРНК. Когда рибосома проходит всю последовательность мРНК, из нее выходит закодированный в последовательности матрицы белок.

Каталитическая субъединица молекулярной машины так же направленно движется вдоль стержня, как и рибосома вдоль мРНК, и синтезируемый пептид так же удлиняется по ходу этого движения. Принципиальное отличие от рибосомы состоит в том, что молекулярной машине не нужно, прочитав инструкцию, ждать появления подходящей детали: детали разложены прямо перед ней в правильном порядке, и ей остается лишь подобрать их и соединить в цепочку. Таким образом, в данном случае речь не идёт о каком-либо переводе информации с одного языка на другой, как это происходит при природном синтезе (язык нуклеотидов — язык аминокислот).

Другое важное отличие от рибосомы — очень большое время, уходящее на реакцию синтеза пептида: 12 часов на присоединение каждого аминокислотного остатка (а клеточные рибосомы присоединяют 15–20 остатков в секунду!) — то есть разница в эффективности с настоящей рибосомой составляет 650–870 тысяч раз.

Заметим, что особого практического значения работа на данный момент не имеет. Для искусственного синтеза пептидов обычно используется твёрдофазный синтез, который занимает значительно меньше времени: до 10–15 минут на образование одной пептидной связи (по сравнению с 12 часами в случае ротаксановой машины). Тем более, синтез значительно усложняется, если приходится сначала синтезировать стержень с аминокислотами, а потом уже проводить реакцию собственно синтеза пептида.

Тем не менее в статье впервые разработан пептидный синтез при помощи наномашины. Создание ещё одной наносистемы с требуемыми свойствами и функциями показывает большие возможности молекулярных машин для синтеза в том числе природных полимеров. Кроме того, как отмечают авторы, предложенный в статье метод позволяет синтезировать пептид высокой степени чистоты.

Источник: Bartosz Lewandowski, Guillaume De Bo, John W. Ward, Marcus Papmeyer, Sonja Kuschel, María J. Aldegunde, Philipp M. E. Gramlich, Dominik Heckmann, Stephen M. Goldup, Daniel M. D’Souza, Antony E. Fernandes, David A. Leigh. Sequence-Specific Peptide Synthesis by an Artificial Small-Molecule Machine // Science. 2013. V. 339. P. 189–193.

Юлия Кондратенко

Последние новости: Бионанотехнологии, Молекулярная биология, Химия, Юлия Кондратенко

20 октября
Важнейшие свойства клеток подвержены сильным случайным колебаниям
17 октября
Нобелевские премии — 2014
14 октября
Синтезирован гексакарбонил сиборгия, самое сложное химическое соединение с трансактиноидом
6 октября
Мыши с человеческим вариантом «гена речи» быстрее переключаются между разными формами обучения
15 сентября
На пути к объяснению гомохиральности жизни: поляризованные электроны инициируют хирально-селективные реакции в газовой фазе
4 августа
Ночь без сна улучшает настроение
28 июля
Механизм фотосинтеза использует вибронную квантовую когерентность
24 июля
Шагающий биомеханизм создан из напечатанных на 3D-принтере элементов и искусственно выращенных скелетных мышц
22 июля
Условный рефлекс у нематоды формируется на основе инсулинового рецептора
20 июня
Раки тоже тревожатся


Астрономические наблюдения недели

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):

 

Новости науки по темам: антропология, археология, астрономическая научная картинка дня, астрономия, биология, биотехнологии, генетика, геология, затмения, информационные технологии, космос, лингвистика, математика, медицина, нанотехнологии, наука в России, наука и общество, Нобелевские премии, палеонтология, Первое апреля, психология, технологии, физика, химия, эволюция, экология, энергетика, этология

Новости науки по авторам: Дарья Баранова, Вера Башмакова, Александр Бердичевский, Максим Борисов, Варвара Веденина, Александр Венедюхин, Михаил Волович, Михаил Гарбузов, Алексей Гиляров, Дмитрий Гиляров, Сергей Глаголев, Николай Горностаев, Юрий Ерин, Анастасия Еськова, Андрей Журавлёв, Дмитрий Замолодчиков, Игорь Иванов, Вячеслав Калинин, Мария Кирсанова, Дмитрий Кирюхин, Александр Козловский, Юлия Кондратенко, Ольга Кочина, Виталий Кушниров, Иван Лаврёнов, Алексей Левин, Андрей Логинов, Сергей Лысенков, Лейла Мамирова, Александр Марков, Мария Медникова, Вадим Мокиевский, Григорий Молев, Максим Нагорных, Елена Наймарк, Петр Петров, Александр Пиперски, Константин Попадьин, Сергей Попов, Роман Ракитов, Татьяна Романовская, Александр Самардак, Александр Сергеев, Андрей Сидоренко, Даниил Смирнов, Дарья Спасская, Любовь Стрельникова, Алексей Тимошенко, Мария Шнырёва, Сергей Ястребов, Светлана Ястребова

Новости науки по месяцам: 2014 X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2013 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2012 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2011 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2010 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2009 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2008 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2007 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2006 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2005 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I 


Научные новости у наших партнеров: «Биомолекула», «В мире науки», «Вокруг света», Газета.ру, Грани.ру, Лента.ру, «Наука и жизнь», «Популярная механика», Gzt.ru

 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия