Почему эволюция не сделала белки максимально стабильными?

На первый взгляд кажется логичным: чем прочнее белок, тем лучше. Но для клетки это не совсем так.

Белок должен не только сохранять форму — ему ещё нужно работать. Во время катализа (а он же катализатор!) фермент постоянно немного меняет форму: петли открываются и закрываются, домены двигаются, активный центр подстраивается под субстрат. Если сделать молекулу слишком жесткой, она может стать стабильнее, но потерять активность. 
Кроме того, клетке приходится избавляться от старых белков. Слишком стабильную молекулу разобрать тоже бывает не так просто.

Поэтому естественному отбору нет смысла бесконечно увеличивать прочность белка. Достаточно, чтобы он был достаточно стабильным для своей обычной среды. Всё, что выше этого порога, может уже не давать организму никакого преимущества.

Получается своеобразный компромисс между стабильностью и активностью. Это называют stability–activity trade-off.

На рисунке показан энергетический ландшафт белка. Правильно свернутая форма находится в энергетической «яме», но яма неглубокая — белок постоянно немного «дышит» и может переходить в другие состояния. При нагревании или в агрессивной среде вероятность выбраться из неё возрастает, а дальше могут появиться неправильно свернутые белки и агрегаты.

В клетке помогают шапероны — они не дают белку сорваться в такие состояния. А вот в реакторе или фармацевтической ампуле такой страховки уже нет.

Поэтому задача редизайна белка — углубить эту энергетическую яму, сделав правильную форму более устойчивой, но при этом не превратив белок в неподвижную молекулярную глыбу. Именно здесь и начинается настоящее искусство белковой инженерии: как сделать белок прочнее, не сломав то, ради чего он вообще нужен?

Об этом — в нашей новой статье о редизайне белков и о том, как сегодня в этом поиске помогают машинное обучение и ИИ, подготовленной при поддержке Центрального университета.

#Биомолекула_инфографика