Rice University-forskare har upptäckt en dold symmetri i de kemiska kinetiska ekvationerna som forskare länge har använt för att modellera och studera många av de kemiska processer som är nödvändiga för livet.

Fyndet har konsekvenser för läkemedelsdesign, genetik och biomedicinsk forskning och beskrivs i en studie publicerad denna månad i Proceedings of the National Academy of Sciences . För att illustrera de biologiska konsekvenserna, studie medförfattare Oleg Igoshin, Anatoly Kolomeisky och Joel Mallory från Rice's Center for Theoretical Biological Physics (CTBP) använde tre omfattande exempel:proteinveckning, enzymkatalys och motorproteineffektivitet.

I varje fall, forskarna visade att ett enkelt matematiskt förhållande visar att sannolikheten för fel styrs av kinetik snarare än termodynamik.

"Det kan vara ett protein som viker sig till den korrekta kontra den felaktiga konformationen, ett enzym som införlivar rätt kontra fel aminosyra i polypeptidkedjan, eller ett motorprotein som av misstag kliver bakåt istället för att gå framåt, sa Igoshin, en CTBP-utredare och professor i bioteknik vid Rice. "Alla dessa egenskaper kan uttryckas som ett förhållande mellan två flöden i konstant tillstånd, och vi fann att biologiska egenskaper uttryckta i dessa termer är under kinetisk kontroll."

Proteinvikningsexemplet illustrerar implikationerna för läkemedelsdesign. Alla proteiner viker sig till en karakteristisk form, och en bråkdel felviks till fel form. Proteinfelveckning har varit inblandad i vissa ärftliga genetiska störningar och sjukdomar, och läkemedelstillverkare är intresserade av att göra läkemedel som kan minska risken för att proteiner ska vikas fel.

Innan den viker sig, ett protein har energi, som en boll som sitter på toppen av en kulle. Folding är nedförsbacken från denna högenergistartpunkt till platsen där bollen slutar rulla. Kemister använder ofta ett visuellt hjälpmedel som kallas ett "fritt energilandskap" för att kartlägga energinivåer i kemiska reaktioner. Landskapet ser ut som en bergskedja med toppar och dalar, och nedförsbacken från ett proteins utvikta startpunkt till dess helt vikta slutpunkt kan se ut som en bergsväg som slingrar sig genom en rad dalar. Även om en stad längs vägen är lägre i höjd, en resenär kan behöva klättra uppför kullar för att ta sig från en dal till nästa på vägen nedför.

"Vi har visat att det är barriärerna, höjdpunkterna mellan dalarna, som bestämmer dessa förhållanden, " sa Igoshin. "Djupet i dalarna spelar ingen roll.

"Om du vill få ett läkemedel som hjälper ett protein att vikas ordentligt, till exempel, vår förutsägelse är att läkemedlet måste kunna minska en barriär längs vikningsvägen, " sa han. "Om det bara påverkar dalarna, säg genom att förbättra stabiliteten hos vissa mellanliggande konformationer längs vikningsvägen, det kommer inte att ändra förhållandet mellan gånger proteinet viker sig korrekt jämfört med felaktigt."

Igoshin sa att arbetet härrörde från en studie från 2017 där han, Kolomeisky och tidigare CTBP-postdoktor Kinshuk Banerjee visade att noggrannheten av enzymatisk katalys var kinetiskt kontrollerad. Igoshin beskrev upptäckten som en "typ av underliggande symmetri av ekvationer."

"Om du tittar på förhållandena mellan flöden, du får denna intressanta avbokning, och alla termer som har att göra med dessa värden tar bort, och du får invariansen, " sa han. "När vi först fick det här resultatet, det verkade kontraintuitivt för oss. Sedan, vi var inte säkra på om det var en slump, eftersom vi i föregående artikel visade det för endast två speciella kinetiska scheman. Nu har Joels arbete visat att det kan generaliseras till detta breda utbud av system."

Igoshin sa att symmetrin "inte var så svår att bevisa, men ingen märkte det förut."

"Jag tycker att det är ett mycket intressant fysiskt resultat som har stora konsekvenser i biologi, " sade han. "Det kan hjälpa till att definiera gränserna för vad som är möjligt när det gäller att kontrollera och optimera egenskaper på systemnivå i många biologiska processer."