Структурный анализ и белковая инженерия

Тем временем у нас новый препринт: используя случайный мутагенез, удалось впервые найти флавин-связывающий флуоресцентный белок с большим Стоксовым сдвигом.

Будучи структурными биологами и биофизиками, не могли не сделать структуру, спектроскопию и моделирование, из которых однозначно следует, что мы (тоже впервые для этих белков) пронаблюдали перенос протона от хромофора в возбужденном состоянии.

Благодарности соавторам из МГУ, ИСАН, ИХФ, Китая и даже Германии!

Ссылка на работу:
https://doi.org/10.1101/2025.06.07.658458

Неделя богата на хорошие новости: теперь уже у нас самих вышла статья, которая подчеркивает прогресс в области белковой инженерии и описывает очень интересный пример конвертации мембранного белка в растворимый. Для белков, связывающих внутри себя сложный лиганд, да еще и с однозначным подтверждением методами структурной биологии, такое еще никто не делал (по крайней мере, в публично доступной литературе).

Подробности можно посмотреть в материале от За науку: Биофизики научились изменять растворимость белков

Результаты опубликованы в Chemical Science

У друзей из Института биохимии им. Баха (ФИЦ Биотехнологии РАН), МГУ и других мест вышла очень интересная работа про новый тип окрашенных белков, придающих характерный зеленый цвет кузнечикам. Оказалось, что эти белки связывают по два каротиноида, два билина и четыре липида - неожиданная комбинация. Белковые инженеры пока до такого не догадались и так не умеют :)

Ссылка на публикацию: https://doi.org/10.1073/pnas.2502567122

Ссылка на канал про каротиноиды: https://t.me/carotenoid_proteins

🧙Ученые Центра исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний ЛФИ МФТИ вместе с европейскими коллегами впервые в высоком разрешении описали структуры как закрытого, так и открытого состояния канального родопсина OLPVR1, а также создали мутантные формы этого белка.

👀Белки-родопсины есть у самых разных организмов — в светочувствительных клетках глаза человека, у одноклеточных водорослей хламидомонад и даже бактерий. Их имеют и некоторые вирусы. Например, родопсин OLPVR1, которым занимаются ученые, из фикоднавируса (Organic Lake phycodnavirus) — гигантского вируса, заражающего водоросли.

🧚У всех родопсинов есть замечательная особенность — ими можно управлять с помощью света. Родопсин связан с молекулой ретиналя, которая под действием света меняет взаимное расположение своих атомов. Это делает белок управляемым: под воздействием света он переходит из закрытого состояния в открытое и начинает проводить ионы. И очень интересным для ученых — двадцать лет назад в науке даже появилось отдельное направление «Оптогенетика», посвященное воздействию на клетки света и открывающее возможности для создания новых методов терапии ряда заболеваний.

🔬В своей новой работе ученые привели две структуры OLPVR1, полученные в атомном разрешении — оно равно 1,1 и 1,3 ангстрема для закрытого и открытого состояния (при физиологических значениях кислотности). Также они получили точную структуру белка в кислой среде (pH = 2,5). А еще создали ряд мутантных форм OLPVR1 с измененными свойствами. Ученым удалось получить тройной мутант белка — VirChR1(E47D/S91N/V193T), у которого способность белка пропускать ионы в активированном светом состоянии возросла втрое.

📖Работа опубликована в журнале Nature Structural & Molecular Biology.

🎈На базе Центра в ЛФИ открыта кафедра биофизики. Поэтому начать заниматься наукой в лабораториях Центра можно уже в бакалавриате, а также после поступления в магистратуру или аспирантуру нашей Физтех-школы.

📎Центр исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний в Телеграм: https://t.me/cmm_mipt.

В журнале Cell опубликована структура человеческого рецептора сладостей, образованного белками TAS1R2 и TAS1R3, и показано на молекулярном уровне, как он связывает сукралозу и аспартам (сайт связывания подсвечен красным).

С одной стороны, в структурах нет каких-то принципиальных новинок - похожие структуры наблюдались и у других рецепторов этого семейства. С другой стороны, знание точной экспериментальной структуры может позволить лучше понять белок и, может, улучшить хитрые способы воздействия на него - наподобие тех, которые рекламирует ЭФКО https://t.me/efko_group/1854

Ссылка на оригинальную публикацию (с открытым доступом!) https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.04.021

В начале апреля в МГУ прошел V Студенческий Биохимический Форум - очень интересное мероприятие, где были освещены разные грани биологических наук.

Замечательно, что все выступления лекторов остались в записях - программа доступна по ссылке 1, а трансляции - по ссылке 2

Хочется обратить внимание на выступление про наши исследования «Инженерия белков с помощью машинного обучения», а также «Полная иллюминация: генетически кодируемые сенсоры для изучения метаболизма» Александра Костюка (инженерия сенсоров - большая доля проектов по белковой инженерии!) и «Есть ли наука в фарме? Как разрабатываются оригинальные биологические лекарства» от Павла Яковлева из Биокада.

Многие группы в белках и малых молекулах могут терять или приобретать протон в зависимости от окружающих условий. Значение pH, при котором соответствующая химическая группа протонирована в половине случаев, называется pKa, и определяет ее сродство к протону - грубо говоря, если рН выше pKa, то протона не будет, а если наоборот - будет.

На иллюстрации - инфографика от блога Making Molecules. Другие наглядные учебные материалы можно найти в их галерее: https://www.makingmolecules.com/handouts

Красивая анимация про то, как крио-электронная томография позволяет посмотреть на хроматин (упаковку ДНК) прямо в человеческих клетках.

Ссылка на препринт: https://doi.org/10.1101/2025.04.09.647790

В журнале Science Advances вышла наша работа про миниатюрный родопсин (протонный насос) из Actinomarina minuta. Белок очень хорошо кристаллизуется, и нам удалось поймать в кристаллах разные состояния.

Оказывается, что изменения его структуры можно представить как движение двух жестких суб-доменов друг относительно друга: в одном положении внутренность белка открыта в цитоплазму, в другом - во внеклеточное пространство. На английском это обычно называют alternative access mechanism.

Поглощение фотонов ретиналем приводит к изменению доступности Шиффова основания, и в конечном счете переносу протона через мембрану.

Ссылка на публикацию:
https://doi.org/10.1126/sciadv.adu5303

Красивая анимация обложки журнала Science для статьи про in vivo структуры респираторных комплексов зеленых водорослей Chlamydomonas reinhardtii, полученные при помощи крио-электронной томографии.

Ссылка на выпуск: https://www.science.org/toc/science/387/6740

Ссылка на статью: https://www.science.org/doi/10.1126/science.ads8738

Автор анимации: https://luminous-lab.com/portfolio/

Компания VantAI выпустила новую генеративную модель, которую рекламирует как следующий шаг после AlphaFold3. Независимо проверить работоспособность модели пока невозможно, но иллюстрации и анимации на сайте очень красивые: www.vant.ai/neo-1

Физиков среди нас часто интересует, сколько энергии нужно, чтобы синтезировать один белок или целую клетку.

В новой статье от ученых Университета Эдинбурга приводятся как раз такие оценки: слева - сколько джоулей нужно для синтеза одного грамма липидов, ДНК, РНК, белков или целых клеток, посередине - сколько джоулей нужно, чтобы соответствующих молекул хватило на одну кишечную палочку, а справа - сколько молекул АТФ.

Для синтеза 1 грамма E. coli нужен 331 Джоуль.

Понять, что авторы - физики, можно по оси температур, идущей до 130 °C.

Ссылка на статью:

https://doi.org/10.1038/s41598-024-54303-6

Красивые "мультикомпонентные нано-клетки" от Дэвида Бейкера https://doi.org/10.1038/s41586-024-07814-1

В последнее время самые популярные вопросы про AlphaFold - это научился ли он предсказывать комплексы с лигандами, и что лучше - AlphaFold3, Protenix, Chai или Boltz? В свежем препринте от Skrinjar и коллег проведен аккуратный анализ и обнаружено, что AF3 чуть лучше аналогов, и что все методы довольно плохо работают для молекул, которых не было в обучающей выборке: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2025.02.03.636309v2.full.pdf

Красивая иллюстрация: разрезы жгутиковых моторов разных микроорганизмов

Источник https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2025.02.19.638559v1

🐍Змеиные укусы каждый год убивают сотни тысяч человек по всему миру. К решению этой проблемы подключился нобелевский лауреат 2024 года Дэвид Бейкер, автор алгоритмов из семейства Rosetta. В качестве мишени ученые выбрали самые изученные токсины — два нейротоксина из семейства 3FTx. 3FTx, или трехпальцевые токсины — это основной компонент яда кобры, мамбы и некоторых других опасных змей.

🧙О том, что получилось в результате, журналу «За науку» рассказал Иван Гущин, заведующий лабораторией структурного анализа и инжиниринга мембранных систем Центра исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний ЛФИ МФТИ.

В рамках популяризационного проекта про современные методы предсказания белковых структур от Цифровой кафедры НГУ вышел ролик Ивана Гущина "Использование AlphaFold перед структурным экспериментом": https://vkvideo.ru/video-205185234_456239227

В январе вышла наша новая работа, где мы смогли придумать подход на основе AlphaFold, который позволил предсказать стехиометрию (количество составляющих) роторных колец АТФ-синтаз - ключевых ферментов во всех живых клетках.

Подробности есть в материале от "За Науку":
https://zanauku.mipt.ru/2025/01/28/fiztehi-izuchili-raznoobrazie-belkovyh-rotorov/

Ссылка на статью: https://doi.org/10.1002/prot.26790