Kredit:CC0 Public Domain
Forskare bestämmer strukturen och dynamiken hos proteiner med hjälp av NMR-spektroskopi (Nuclear Magnetic Resonance). Hittills har dock mycket högre koncentrationer varit nödvändiga för in vitro-mätningar av biomolekylerna i lösning än vad som finns i vår kropps celler. En NMR-metod förbättrad av en mycket kraftfull förstärkare, i kombination med molekylär dynamiksimulering, möjliggör nu deras detektion och noggrann karakterisering vid fysiologiska koncentrationer. Detta rapporteras av Dennis Kurzbach kemist vid universitetet i Wien och hans kollegor i tidskriften Science Advances . Teamet demonstrerade sin nya metod med exemplet med ett protein som påverkar cellproliferation och därmed även potentiell tumörtillväxt.
För närvarande är NMR-spektroskopi den enda metoden som tillåter en fullständig beskrivning av atomstrukturen hos biomakromolekyler i deras naturliga lösningstillstånd. Men på grund av metodens i sig låga känslighet måste proverna innehålla många fler molekyler per volym än vad som är fysiologiskt vanligt. För att övervinna denna diskrepans kan hyperpolarisering (mer exakt genom Dissolution Dynamic Nuclear Polarization) användas för att uppnå en 1 000-faldig signalförstärkning i NMR-mätningar.
E-gitarr vs. NMR – samma princip
"Spektroskopi har vissa likheter med en elgitarr:om förstärkaren är för svag kommer du att höra väldigt lite om du inte slår hårt på strängarna", säger Dennis Kurzbach från Institute of Biological Chemistry, "vilket betyder att du behöver mycket material för att se en NMR-signal. Med den nya hyperpolarisationsförstärkaren kan du nu se något även vid låg koncentration."
Forskarna lyckades mäta biomolekyler i koncentrationer så låga som 1 mikromol/liter (dvs en miljondel av de vanliga koncentrationsnivåerna). Koncentrationen närmar sig alltså våra cellers. Detta är viktigt eftersom proteiner kan reagera på onaturligt höga koncentrationer. De gör inte längre vad de ska göra och beter sig plötsligt annorlunda.
Dessutom ger en upplösningsdynamisk kärnpolarisationsmätning vanligtvis endimensionella spektra, vilket begränsar den erhållna informationen. För att beskriva proteiner heltäckande under naturliga koncentrationsförhållanden använde forskarna molekylära dynamiksimuleringar:"Vi kunde också extrapolera fingeravtrycket vi fick av vår molekyl via NMR till dess "hela kropp", dvs. dess flerdimensionella struktur, säger Kurzbach.
Betydande protein MAX beskrivs
Värdet av detta metodiska framsteg demonstreras med hjälp av den allestädes närvarande transkriptionsfaktorn MAX. Detta protein kan självassociera med olika andra proteiner (dvs proteindimerisering). For example, MYC-MAX dimers have a great influence on the DNA copying processes in the cell.
With the new methods, MAX has been shown to adopt an undocumented conformation when concentrations approach physiological levels. "The folding spectrum of MAX is of crucial importance for working together with MYC and thus for the proliferation of healthy as well as diseased cells in the body," said ERC grantee Dennis Kurzbach, who is also deputy head of the Core Facility NMR at the Faculty of Chemistry.
The new method can help to better understand the process of cell proliferation to tumor growth and thus elucidate basic mechanisms for cancer development. This is just one of many potential fields of application for the new method—after all, thousands of proteins in our cells perform a wide variety of tasks, including digestion and regulation of DNA and RNA. + Utforska vidare
