В основе метода лежит электростатическое взаимодействие свернувшихся, или денатурированных, белков с наночастицами оксида алюминия в воде. Авторы отмечают универсальность метода: он работает как для молекул одного вещества, так и в мультибелковых системах – ранее восстанавливать структуру белков в смесях никому не удавалось. В теории это поможет упростить и удешевить производство лекарственных белков, применяемых для лечения болезней Альцгеймера и Паркинсона. Результаты исследования опубликованы в журнале Scientific Reports.
Белки, в особенности относящиеся к ним ускорители химических реакций – ферменты, являются основой фармацевтической и пищевой индустрии. Однако 80% этих веществ теряется еще в процессе синтеза. Под влиянием неблагоприятных факторов, например, при добавлении сильных кислот или щелочей, белки денатурируют, то есть теряют свою форму, а вместе с ней и химическую активность. Поэтому промышленность издавна искала универсальный способ, который позволил бы восстанавливать структуру белков и значительно удешевил бы их производство. При этом, для изготовления лекарств и пищевых продуктов на основе белков в промышленных масштабах важна возможность восстанавливать именно смеси, поскольку ренатурировать каждый тип белков по отдельности долго, дорого и неэффективно.
Российские химики совместно с иностранными коллегами предложили решение этой задачи. Ученые разработали метод, с помощью которого дали белкам вторую жизнь, вернув их молекулам исходную форму после денатурации. Этот процесс называют ренатурацией.
В новой работе исследователи развернули молекулы трех ферментов: карбоангидразы, фосфатазы и пероксидазы. Для этого денатурированные сильной щелочью белки смешали в воде с наночастицами оксигидроксида алюминия. Благодаря возникшему электростатическому взаимодействию, ферменты притянули к своей поверхности наночастицы и образовали с ними надмолекулярный комплекс, связанный не химически, а физически.
Защитная оболочка из наночастиц помешала молекулам белков слипаться, или агрегироваться, что позволило ученым достаточно легко извлечь ферменты из неблагоприятной среды. После промывки от остатков денатурирующих веществ ферменты самостоятельно восстановили свою структуру.
«Постоянное воздействие денатурирующих агентов и склонность свернувшихся макромолекул к агрегации являются одними из главных препятствий для восстановления белков. Удалив эти факторы, мы смогли регенерировать наши объекты», – рассказывает Катерина Володина, магистрант второго года обучения SCAMT Университета ИТМО.
Изменяя уровень pH среды, ученым удалось отделить наночастицы от белковых молекул. Это позволило неоднократно использовать вещества, участвующие в эксперименте.
Новый способ применили и для смеси из двух ферментов: карбоангидразы и фосфотазы (САВ и АсР). Для этих белков доля ренатурированных молекул превысила половину, что является беспрецедентным результатом.
«Ренатурация мультиферментных смесей – процесс уникальный, никто до нас этого не делал. Но мы с коллегами считаем, что работа в этом направлении интересна фармацевтическим кампаниям. Теоретически наш метод способен упростить и удешевить производство лекарств для лечения болезней Альцгеймера или Паркинсона. Многие из этих медикаментов изготовляются на основе белков», – отмечает Катерина Володина.
Помимо универсальности и высокой эффективности, способ, предложенный химиками из Университета ИТМО, отличается низкой стоимостью и быстродействием. Ученые собираются развивать свой подход к ренатурации белков именно на мультиферментных смесях.
Статья: Katerina V. Volodina, David Avnir and Vladimir V. Vinogradov (2017), Alumina nanoparticle-assisted enzyme refolding: A versatile methodology for proteins renaturation, Scientific Reports.
(автор Беседина Тамара)