Forskare i USA och Tyskland har just upptäckt en tidigare förbisedd del av proteinmolekyler som kan vara nyckeln till hur proteiner interagerar med varandra inuti levande celler för att utföra specialiserade funktioner.

Forskarna upptäckte små bitar av molekylärt material - som de kallade "tillägg" - på de yttre kanterna av proteingränssnittet som anpassar vad ett protein kan göra. De valde namnet eftersom tilläggen anpassar gränssnittet mellan proteiner så som programvarutillägg anpassar ett webbgränssnitt med en användare.

Även om det länge har varit känt att proteiner har en gränssnittsregion där de ansluter till andra proteiner, det har inte varit klart exakt hur nyckelproteiner kan hitta varandra i en trång cellulär miljö som kan innehålla tiotusentals andra proteiner.

Nu, forskare vid Ohio State University och University of Regensburg rapporterar i Proceedings of the National Academy of Sciences att det är tilläggen som gör att proteiner kan kopplas exklusivt till rätt dedikerade partner.

Florian Busch, en postdoktor i kemi och biokemi vid Ohio State och medförfattare till studien, kallade förekomsten av proteintillägg "en tidigare okänd grundläggande drivkraft" för att säkerställa att proteiner interagerar på specifika sätt.

Forskarna experimenterade med levande bakterier, visar vikten av tillägg för normala cellulära funktioner. Till exempel, de bestämde det i organismen Bacillus subtilis , där ett unikt gränssnittstillägg saknas, bakteriekolonier växte 80 procent mindre under vissa förhållanden. Anledningen till detta var att det saknade gränssnittstillägget ledde till ohälsosamma korsinteraktioner av proteiner i B. subtilis celler.

Det är svårt att överskatta vikten av proteiner för livet som vi känner det. Enzymer är proteiner som möjliggör kemiska reaktioner i celler. Antikroppar är proteiner som binder till främmande inkräktare i kroppen. Listan fortsätter med att omfatta tusentals kritiska funktioner. I de flesta fallen, proteiner måste ansluta till varandra och bilda grupper som kallas proteinkomplex för att utföra så olika uppgifter.

Men exakt hur proteiner kan göra allt de gör är ett mysterium - ett som är rotat i matematik och geometri. Det finns 20 kända aminosyror som länkar samman i långa kedjor och sedan viker sig ihop till proteiner. Det är vecket som avgör ett proteins generiska form, eller geometri. Även om det bara finns cirka 1, 000 kända proteingeometrier i naturen, proteiner kan på något sätt bilda komplex som utför hundratusentals mycket specifika funktioner.

Maximilian Plach, huvudförfattare till uppsatsen och biokemist vid University of Regensburg, förklarade hur forskarna visste var de skulle leta för att lösa mysteriet.

"Mycket arbete har lagts ner på att analysera hur proteiner interagerar med varandra och hur gränssnitten ser ut, hur de är uppbyggda, och hur de utvecklades, " sade han. "Men de perifera regionerna av gränssnitt har inte fått så mycket uppmärksamhet. Jag tror att det nya i vårt tillvägagångssätt var att titta på regioner som har hittills, anses vara mindre viktigt."

Regensburg-laget, ledd av beräkningsbiologen Rainer Merkl och proteinbiokemisten Reinhard Sterner, analyserade proteinsekvenserna härledda från mer än 15, 000 bakterie- och arkeala genom på ett stort datorkluster. De sorterade proteiner som delade gemensamma evolutionära förfäder i ett slags släktträd, och jämförde enskilda proteiner med deras protein-"släktingar". Det var så de upptäckte gränssnittsstrukturer som fanns i vissa proteiner men saknades i andra - tilläggen.

Busch och Vicki Wysocki, Ohio Eminent Scholar av makromolekylär struktur och funktion och chef för Campus Chemical Instrument Center i Ohio State, använde sedan nativ masspektrometri för att detektera hur närvaron och frånvaron av tillägg påverkade proteiners förmåga att interagera med varandra.

"Vi är verkligen glada över att vår inhemska masspektrometriteknik kan hjälpa till att identifiera rollen för dessa gränssnitts "tillägg" - ett sätt för ett protein att hitta sitt kritiska partnerprotein även i en fullsatt cellulär miljö med liknande strukturer närvarande, " sa Wysocki.

Till Busch, en av de riktigt spännande sakerna med studien var forskarnas användning av "big data" - i det här fallet, hela protein- och genomdatabaser.

"Jag anser att vårt arbete är ett viktigt exempel på hur man kan använda offentligt tillgänglig data för att förstå grundläggande principer i naturen, och jag tror att datautvinning kommer att bli allt viktigare inom det biomedicinska området i framtiden, " han sa.