Proteiner är viktiga molekylära maskiner som utför ett stort antal funktioner i celler. De spelar avgörande roller i allt från att katalysera kemiska reaktioner till att transportera molekyler och ge strukturellt stöd. De exakta mekanismerna genom vilka proteiner utför sina uppgifter har dock förblivit svårfångade, vilket hindrar ansträngningar att manipulera dem för terapeutiska ändamål.
Forskargruppen, ledd av biokemisten och professorn i molekylär- och cellbiologi Jennifer Doudna – som är vida känd för sitt banbrytande arbete med CRISPR-Cas9 genredigeringsteknologi – använde en teknik som kallas kryoelektronmikroskopi (cryo-EM) för att fånga detaljerade bilder av proteiner i aktion. Cryo-EM gör det möjligt för forskare att visualisera biologiska molekyler i sitt ursprungliga tillstånd, utan behov av kristallisering eller andra invasiva tekniker.
Genom att kombinera cryo-EM med beräkningsmodellering och biokemiska analyser fick forskarna högupplösta insikter i de dynamiska konformationsförändringar som proteiner genomgår under sina funktionella cykler. Denna förståelse liknar att fånga en serie ögonblicksbilder som avslöjar de invecklade rörelserna och interaktionerna inom ett protein när det utför sin utsedda uppgift.
"För många proteiner känner vi till strukturen, men vi vet inte hur de fungerar. Genom att fånga dessa dynamiska proteinrörelser kan vi nu börja förstå hur proteiner fungerar på den mest grundläggande nivån", förklarade Doudna i ett uttalande.
Forskarna fokuserade specifikt på en klass av proteiner som kallas RNA-styrda nukleaser, som är involverade i genredigering och reglering. Med hjälp av cryo-EM kunde de observera hur dessa nukleaser känner igen och binder till specifika RNA-sekvenser och sedan manipulera RNA:t på exakta sätt för att utföra sina cellulära funktioner.
Denna detaljerade förståelse av proteindynamik och mekanismer har omedelbara konsekvenser för utformningen av nya läkemedel och terapier. Genom att dechiffrera den intrikata molekylära koreografin av proteiner kan forskare nu rationellt konstruera dem för att förbättra deras fördelaktiga funktioner eller undertrycka deras skadliga aktiviteter. Till exempel kan detta tillvägagångssätt leda till utvecklingen av mer effektiva proteinterapier, enzymer för industriella tillämpningar och diagnostiska verktyg för sjukdomar orsakade av proteindysfunktion.
Studiens resultat, publicerade i tidskriften Nature, representerar ett stort steg framåt för att förstå proteinfunktion och ger en kraftfull verktygslåda för att manipulera dessa molekylära maskiner till förmån för människors hälsa och bioteknik.
Sammanfattningsvis har det genombrott som uppnåddes av forskare vid UC Berkeley revolutionerat vår förståelse av proteindrift på molekylär nivå. Genom att visualisera proteindynamik och mekanismer med hjälp av cryo-EM, har forskare nu kunskap och verktyg för att designa och konstruera proteiner med skräddarsydda egenskaper, vilket öppnar nya vägar för terapeutiska interventioner och tekniska innovationer.
