Как работает «незамерзайка» для живых клеток — открытие сибирских учёных

Чтобы пережить холод, организмы используют разные молекулярные механизмы защиты от замерзания. Один из таких способов — синтез антифризных белков, которые препятствуют росту кристаллов льда. Ученые Института химической биологии и фундаментальной медицины имени Д. Г. Кнорре СО РАН исследовали такой белок у сибирского жука-усача и выяснили, что для его работы важна способность молекул объединяться в комплексы.

Многие виды, обитающие в регионах с холодными зимами, вынуждены переживать значительные перепады температур. Один из способов защиты — синтез антифризных белков. Они препятствуют кристаллизации воды: связываются с зарождающимися кристаллами льда и не дают им расти. Благодаря этому жидкости организма могут оставаться в переохлажденном состоянии даже при температуре ниже 0 °C, не превращаясь в лед. Сегодня известно множество антифризных белков, обычно они встречаются у арктических и антарктических рыб и насекомых.

«В основном мы работали с белками арктических рыб, но сейчас исследуем антифризный белок сибирского жука-усача. Такие белки уже применяют в самых разных областях, — рассказывает директор ИХБФМ СО РАН доктор химических наук Владимир Коваль. — В медицине их добавляют в растворы для хранения органов, тканей и клеток при низких температурах, чтобы при охлаждении не образовывались кристаллы льда, которые могут повредить ткани. В пищевой промышленности, например в США, их используют при производстве некоторых видов мороженого: они не дают формироваться крупным кристалликам, благодаря чему продукт дольше сохраняет нежную текстуру. Кроме того, ученые исследуют возможность использовать принцип действия этих белков для создания покрытий, защищающих от обледенения, например для передних кромок крыльев самолетов».

На первом этапе антифризный белок выделяют непосредственно из организма. Если его ген уже известен, дальше работать гораздо проще. Его вместе с носителем — плазмидой — подселяют в клетки-продуценты (E. coli или дрожжи). Эти клетки начинают синтезировать нужный белок, что позволяет получать его в больших количествах для дальнейших исследований.

Основная трудность при изучении таких белков — определение их структуры. Обычно для этого используют рентгеновскую кристаллографию, однако антифризные белки плохо кристаллизуются. Поэтому ученым приходится использовать другие методы исследования.

«Здесь особую роль играет аминокислота треонин. Мы обнаружили, что треонины расположены группами и образуют характерные кластеры, которые участвуют во взаимодействии белка с водой. В начале работы нас интересовал вопрос, как такой небольшой белок вообще может эффективно связываться с поверхностью воды и препятствовать образованию льда. Оказалось, что дело не только в его строении, но и в способности объединяться в более крупные комплексы — мультимеры. То есть в растворе белок существует не в виде отдельных молекул, а образует группы из нескольких. Именно в такой форме он значительно эффективнее взаимодействует с водой и выполняет свою антифризную функцию», — уверен ученый.

С помощью компьютерного моделирования исследователи построили больше сотни вариантов комплексов из четырех-восьми молекул белка, чтобы понять, какие формы стабильны в растворе. И дальше исследователи хотят развивать исследования антифризных белков, особенно у рыб. При этом сравнить разные типы структур: например, бета-складчатые белки, где водородные связи формируют определенную организацию на поверхности, и альфа-спиральные, которые взаимодействуют с водой совсем иначе. «Очень хочется использовать возможности ЦКП СКИФ, ведь структурные исследования белков — одна из ключевых задач для синхротронных установок. Будем надеяться, что вскоре у нас появится возможность проводить такие исследования», — добавляет Владимир Коваль.