Forntida proteiner kan ge ledtrådar om hur man konstruerar proteiner som kan motstå de höga temperaturer som krävs i industriella tillämpningar, enligt ny forskning publicerad i Proceedings of the National Academy of Sciences . Forskare använde experiment för att undersöka kritiska skillnader mellan 15 proteiner från tioredoxinfamiljen, inklusive sju utdöda proteinsekvenser som går tillbaka mer än 4 miljarder år och återuppstod med hjälp av förfäders sekvensrekonstruktioner.

"I industriella tillämpningar, proteiner kan göra en del av kemikaliernas arbete med mindre energi och mindre toxicitet, men de måste kunna motstå de högre temperaturerna i industriella processer, sade George Makhatadze, en konstellationsprofessor i bioberäkning och bioinformatik och medlem av Center for Biotechnology and Interdisciplinary Studies vid Rensselaer Polytechnic Institute. "Denna forskning tyder på att förfäders rekonstruktionsmetoder kan användas för att designa proteiner som utvecklas långsammare, ger större användbarhet, vid högre temperaturer."

Experimenten visade att skillnaden i stabilitet mellan proteiner från samma familj främst orsakas av skillnader i energin som krävs för att veckla ut proteinerna, ett fynd som upprätthåller en långvarig teori känd som "principen om minimal frustration, " föreslog av fysiker för cirka 30 år sedan.

Proteiner är molekylkedjor där varje länk är en av 20 aminosyror. När kedjan väl är monterad, olika krafter längs dess längd samverkar, får strängen att vrida sig, och slutligen vikas till en tredimensionell form. Proteinet kan endast utföra sin funktion när det är ordentligt vikt. De flesta proteiner förblir vikta inom ett visst temperaturintervall, pH, eller tryckförhållanden, bryts ner när de utsätts för förhållanden utanför dessa toleranser.

Inte alla regler som styr proteinveckning är kända, och Makhatadze ville förstå hur proteiner inom samma familj, med liknande struktur, kan utföra samma livsuppehållande funktion i väldigt olika termiska miljöer. Tioredoxiner, till exempel, finns i alla organismer, från de som bor nära kokande hydrotermiska ventiler till kyliga arktiska vatten.

En känd regel hjälper till att förklara varför det finns ett astronomiskt antal sekvenser möjliga för proteiner med hundratals och till och med tusentals länkar, men bara en liten delmängd av dessa möjliga sekvenser finns i naturen. Denna regel, principen om minimal frustration, hävdar att naturen bara väljer de sekvenser som viker sig mest effektivt, minskar oönskade interaktioner mellan aminosyror och producerar snabbare, mindre frustrerad, vikmönster.

För att vara förenlig med principen om minimal frustration, Makhatadze sa, proteiner med liknande struktur men olika termodynamisk stabilitet bör vikas längs samma effektiva mönster, men de med större förmåga att tolerera värme bör ta längre tid att utvecklas. Experiment, genomfördes först med åtta moderna tioredoxiner, bevisade att hypotesen var korrekt.

"Vi testade veckningshastigheten bland tioredoxiner, en familj av proteiner som utför samma funktion men – eftersom de fungerar under olika termiska förhållanden – måste vara olika i termodynamik, " sa Makhatadze. "Och vad vi observerade är att för dessa proteiner, de lägger sig verkligen med samma hastighet, men de utvecklas med en annan takt - vilket är vad vi förutspådde."

I nästa steg, forskare testade utdöda versioner av tioredoxiner som hade erhållits med hjälp av en teknik som kallas släktsekvensrekonstruktion. De utdöda versionerna utvecklades långsammare än moderna versioner, i vissa fall vikning 3, 000 gånger långsammare än en modern motsvarighet.

"Här har vi två versioner av ett protein från samma familj och en som vecklas ut på sju sekunder, den andra om sex timmar, ", sade Makhatadze. "Det betyder att du kan få användbar funktion från proteinet i sex timmar mot sju sekunder. Detta visar att släktsekvensrekonstruktion kan vara en väg till proteiner som är mer stabila vid höga temperaturer."

Fyndet stöds av tidigare publicerad forskning och geokemiska data som indikerar att jorden och dess hav var varmare i det gamla förflutna.

"Tidigare forskning stöder upptäckten att äldre proteiner är mer stabila, men denna nya forskning visar att dessa uråldriga proteiner är mer stabila eftersom de utvecklas långsammare, sa Makhatadze.

"Bevis för principen om minimal frustration i evolutionen av proteinvikningslandskap" kan hittas med den digitala objektidentifieraren DOI:10.1073/pnas.1613892114. Forskningen stöddes av National Science Foundation. Makhatadze fick sällskap i forskningen av Fanco Tzul, en postdoktoral forskarassistent, och doktorand Daniel Vasilchuk.

Makhatadzes forskning möjliggörs av visionen om The New Polytechnic, ett framväxande paradigm för högre utbildning som inser att globala utmaningar och möjligheter är så stora att de inte kan hanteras på ett adekvat sätt av ens den mest begåvade personen som arbetar ensam. Rensselaer fungerar som ett vägskäl för samarbete – att arbeta med partners över discipliner, sektorer, och geografiska regioner – för att hantera komplexa globala utmaningar, använda de mest avancerade verktygen och teknikerna, många av dem är utvecklade på Rensselaer. Forskningen vid Rensselaer tar upp några av världens mest pressande tekniska utmaningar – från energisäkerhet och hållbar utveckling till bioteknik och människors hälsa. Den nya yrkeshögskolan är transformerande i den globala inverkan av forskning, i sin innovativa pedagogik, och i livet för studenter på Rensselaer.