Genom att omvandla sina data till ljud upptäckte forskare hur vätebindningar bidrar till de blixtsnabba svängningarna som omvandlar en rad aminosyror till ett funktionellt, veckat protein.
Deras rapport, publicerad i Proceedings of the National Academy of Sciences, erbjuder en aldrig tidigare skådad bild av sekvensen av vätebindningshändelser som inträffar när ett protein förvandlas från ett ovikt till ett veckat tillstånd.
"Ett protein måste vikas ordentligt för att bli ett enzym eller en signalmolekyl eller vad dess funktion kan vara - alla de många saker som proteiner gör i våra kroppar", säger University of Illinois Urbana-Champaign kemiprofessor Martin Gruebele, som ledde den nya forskningen med kompositören och mjukvaruutvecklaren Carla Scaletti.
Felveckade proteiner bidrar till Alzheimers sjukdom, Parkinsons sjukdom, cystisk fibros och andra störningar. För att bättre förstå hur denna process går snett måste forskare först fastställa hur en sträng av aminosyror formskiftar till sin slutliga form i cellens vattenhaltiga miljö. De faktiska omvandlingarna sker mycket snabbt, "någonstans mellan 70 nanosekunder och två mikrosekunder," sa Gruebele.
Vätebindningar är relativt svaga attraktioner som sammanför atomer som finns på olika aminosyror i proteinet. Ett vikningsprotein kommer att bilda en serie vätebindningar internt och med vattenmolekylerna som omger det. Under processen vickar proteinet in i otaliga potentiella mellankonformationer, ibland hamnar det i en återvändsgränd och backar tills det snubblar in på en annan väg.
Proteinsonifiering:Hårnål i en fälla
Forskarna ville kartlägga tidssekvensen för vätebindningar som uppstår när proteinet veck. Men deras visualiseringar kunde inte fånga dessa komplexa händelser.
"Det finns bokstavligen tiotusentals av dessa interaktioner med vattenmolekyler under den korta passagen mellan det ovikta och vikta tillståndet," sa Gruebele.
Så forskarna vände sig till datasonifiering, en metod för att omvandla sina molekylära data till ljud så att de kunde "höra" vätebindningarna bildas. För att åstadkomma detta skrev Scaletti ett program som tilldelade varje vätebindning en unik tonhöjd. Molekylära simuleringar genererade viktiga data, som visade var och när två atomer var i rätt position i rymden – och tillräckligt nära varandra – för att binda väte.
Om de korrekta villkoren för bindning inträffade, spelade programvaran en tonhöjd motsvarande den bindningen. Sammantaget spårade programmet hundratusentals individuella vätebindningshändelser i följd.
Använda ljud för att utforska vätebindningsdynamik under proteinveckning
Många studier tyder på att ljud bearbetas ungefär dubbelt så snabbt som visuella data i den mänskliga hjärnan, och människor kan bättre upptäcka och komma ihåg subtila skillnader i en sekvens av ljud än om samma sekvens representeras visuellt, sa Scaletti.
"I vårt auditiva system är vi verkligen väldigt inställda på små skillnader i frekvens," sa hon. "Vi använder frekvenser och kombinationer av frekvenser för att förstå tal, till exempel."
Ett protein tillbringar det mesta av sin tid i vikt tillstånd, så forskarna kom också på en "sällsynthets"-funktion för att identifiera när de sällsynta, flyktiga ögonblicken av vikning eller utveckning ägde rum.
De resulterande ljuden gav dem insikt i processen och avslöjade hur vissa vätebindningar verkar påskynda veckningen medan andra verkar sakta ner den. De karakteriserade dessa övergångar och kallade den snabbaste "motorvägen", den långsammaste "slingrande" och de mellanliggande "tvetydiga".
Att inkludera vattenmolekylerna i simuleringarna och vätebindningsanalysen var avgörande för att förstå processen, sa Gruebele.
"Hälften av energin från en proteinveckningsreaktion kommer från vattnet och inte från proteinet", sa han. "Vi lärde oss verkligen genom att göra sonifiering hur vattenmolekyler sätter sig på rätt plats på proteinet och hur de hjälper proteinkonformationen att förändras så att den till slut blir veckad."
Även om vätebindningar inte är den enda faktorn som bidrar till proteinveckning, stabiliserar dessa bindningar ofta en övergång från ett veckat tillstånd till ett annat, sa Gruebele. Andra vätebindningar kan tillfälligt hindra korrekt vikning. Till exempel kan ett protein hänga upp sig i en upprepad loop som innebär att en eller flera vätebindningar bildas, bryts och bildas igen – tills proteinet slutligen flyr från denna återvändsgränd för att fortsätta sin resa till sitt mest stabila vikta tillstånd.
"Till skillnad från visualiseringen, som ser ut som en total slumpmässig röra, hör du faktiskt mönster när du lyssnar på det här," sa Gruebele. "Det här är saker som var omöjliga att visualisera men det är lätt att höra."
Mer information: Scaletti, Carla et al, Hydrogen bonding heterogenity korrelerar med proteinfoldning transition state passagetid som avslöjats av data sonifiering, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2319094121. doi.org/10.1073/pnas.2319094121
Journalinformation: Proceedings of the National Academy of Sciences
Tillhandahålls av University of Illinois i Urbana-Champaign
