Ett tryck på 3 000 bar appliceras på kallchockproteinet B från Bacillus subtilis i ett litet rör i NMR-spektroskopilaboratoriet vid universitetet i Konstanz. Detta är ungefär tre gånger vattentrycket vid havets djupaste punkt. Trycket är så intensivt att det mycket dynamiska proteinet visar strukturella egenskaper som inte skulle vara tillräckligt synliga under normalt tryck.
Men varför utövar forskare så högt tryck, som inte förekommer någon annanstans på vår planet under naturliga förhållanden? Svaret är:Att studera processer och egenskaper som är för flyktiga för att kunna observeras under normala förhållanden.
"Detta höga tryck gör att vi kan synliggöra tillstånd som faktiskt existerar vid 1 bar, men som vi bara kan observera direkt vid 3 000 bar", förklarar Frederic Berner, University of Konstanz. Bokstavligen "under högt tryck" undersöker doktorandforskaren egenskaperna hos ett protein som bestäms av dess struktur, och hur förändringar i strukturen i sin tur påverkar dess egenskaper.
I forskargruppen Physical Chemistry and Nuclear Magnetic Resonance vid universitetet i Konstanz, ledd av Michael Kovermann, implementerade han nyligen en ny metod för att analysera proteiners strukturella egenskaper vid 3 000 bar med så lite påverkan som möjligt från omgivande effekter.
De två forskarna presenterar nu sitt nya metodologiska tillvägagångssätt i tidskriften Angewandte Chemie International Edition .
Proteiner är de grundläggande byggstenarna i livet. De består av aminosyrakedjor vars tredimensionella struktur kan anta en mängd olika formationer. De "viks" på samma sätt som ett långt pappersband kan vikas till olika former.
Ett proteins funktionella egenskaper beror till stor del på dess veckning, så att samma protein kan ha väldigt olika effekter i cellen, beroende på i vilken form det viks. "Det som är viktigt för proteiner är deras struktur, som i sin tur är kopplad till funktionaliteter. Om man vill identifiera biokemiska mekanismer behöver man information om deras struktur", säger Berner.
Forskare strävar efter att fånga proteinstrukturens egenskaper i sin "rena" form - så okuddad som möjligt av påverkan från dess omgivning. Av två skäl är det dock inte så lätt:För det första finns det nästan alltid interaktioner med lösningsmedlet som omger proteinet och med närliggande delar av dess molekylkedja.
För det andra är proteiner mycket dynamiska, deras vikning är alltid i rörelse. Det finns till exempel proteiner som hela tiden viker isär och går tillbaka som en sax. På bråkdelen av den sekund som den öppnar sker en kemisk reaktion. Detta sker alldeles för snabbt för att forskare ska kunna undersöka det direkt.
Och det är här trycket på 3 000 bar kommer in:Molekylen pressas till ett visst tillstånd – dess struktur manipuleras:Saxen förblir öppen. Med hjälp av magnetisk resonansspektroskopi kan forskarna nu studera specifika strukturella egenskaper hos proteinet som inte är direkt synliga under normalt tryck.
Tidigare analysmetoder har ofta accepterat miljöeffekterna och försöker räkna ut dem i efterhand. Kovermanns och Berners nya högtrycksmetod kan däremot undertrycka eller "korrigera" miljöeffekterna redan från början ("inneboende") och möjliggör därmed en syn på proteinet som påverkas så lite som möjligt. Det är särskilt meningsfullt att använda och jämföra den nya metoden i kombination med befintliga metoder, eftersom de olika påverkande faktorerna blir synliga i detalj.
Högtrycksprocessen som uppfanns vid universitetet i Konstanz har gett mycket goda resultat även i den tidiga fasen av dess tillämpning. Berner och Kovermann förklarar att ytterligare experiment och datorsimuleringar nu kommer att äga rum för att ytterligare testa och eventuellt förfina processen.
Mer information: Frederic Berner et al, Inklusive Ensemble of Unstructured Conformations in Analysis of Proteins Native State by High-Pressure NMR Spectroscopy, Angewandte Chemie International Edition (2024). DOI:10.1002/anie.202401343
Journalinformation: Angewandte Chemie International Edition
Tillhandahålls av University of Konstanz
