Lo studio su sostanze di segnalazione e proteine di membrana - una parte chiave di comprensione come il corpo lavora

Biophysicist parla di proteine di membrana, le difficoltà della loro cristallizzazione e ruolo nella cura di malattie gravi. Abbiamo parlato con il capo del Laboratorio di proteine di membrana di Ricerca Avanzate il professore di MIPT Georg Byuldt.

Prima di accogliere PhD, sono stato impegnato solo in fisica, ma dopo mosso a biologia, in un istituto molto buono in Basilea (la Svizzera), il Centro di Ricerca Biologica, l'università di Basilea. Quando viene da fisica in un campo completamente nuovo - la biologia, ha la difficoltà con la comprensione di colleghi, tutti quello che fa, è nuovo per Lei. Ho cominciato dallo studio su membrane lipid, che allora non è stato la struttura conosciuta. Dopo di alcun tempo mi resi conto che questo è la direzione non sono così interessante, e soltanto allora incontrai un uomo che più tardi diventò un amico mio che mi disse di proteine di membrana.

Il ruolo di proteine di membrana nel corpo umano

Quando gli scienziati scoprirono celle, nello stesso momento constatammo che sono circondati da una sorta di parete, che, siccome si presentò più tardi, è completata con lipids e proteine. L'importanza dello studio su proteine nella parete di membrana, è diventato apparente immediatamente. Tra 70 anni, gli scienziati isolarono uno dopo l'altro ed esaminarono queste proteine.

La comunicazione intercellulare, così come la trasmissione delle informazioni dentro il corpo nell'insieme, ha fatto piccole molecole, come ormoni. Questi ormoni legano con proteine è nella membrana, o non possono influenzare il comportamento della cella. Immediatamente è diventato chiaro che sapere la struttura e la funzione di queste proteine è molto utile, poiché è direttamente collegato a salute in generale per capire i processi che succedono nel nostro corpo. Gli organi speciali, come cervello secernono ormoni che interagiscono con celle mandate, a sua volta, segnali al cervello. È, questo sistema i lavori in entrambe le direzioni. Perciò, lo studio su sostanze di segnalazione e proteine di membrana è una parte chiave di capire il lavoro del corpo.

Adesso tutti discutono l'effetto di Meldonium per restaurare l'equilibrio tra domanda e offerta di ossigeno in celle.

La prima proteina di membrana per cui ho avuto interesse è stata bacteriorhodopsin archaea. In quel tempo, lo studio sulla sua struttura durò durante più di 40 anni. Allora in Basilea è stato coniato dal metodo da cui è diventato più facile da cristallizzare proteine di membrana. La prima proteina, cristallizzata in un modo convenzionale, la reazione è diventata un centro di batteri fotosintetici. Ha cristallizzato Hartmut Michel, ha vinto un Premio Nobel. Nuovo stesso metodo inventato da Jürg Rosenbusch, ha differito da lui. Ancora prima, le proteine hanno dissolto in A differenza di detergente di membrana. Rosenbusch anche ha raggiunto il metodo di cristallizzazione direttamente nella membrana. Durante tempo, questo metodo è stato molto di successo. Per esempio, una struttura coniugata con G-proteina ha agganciato il recettore (GPCR) è stata identificata da Vadim Cherezovs MIPT questo metodo.

Le proteine di membrana, tra altre cose, ho interesse anche perché la fisica deve assumere la definizione di struttura, come in questi studi può applicare i metodi di fisica. Studiando proteine di membrana, mi sono reso conto che effettuano una caratteristica molto interessante, quindi anche è diventato impegnato in spettroscopia. Allora ho scoperto che queste proteine giocano un ruolo molto importante nella comunicazione e il trasferimento di materiali che mi hanno condotto allo studio su proteine di membrana nel contesto della cella intera. Il più recentemente, ho deciso di scoprire come trasferire segnali nella cella e come le proteine sono trasportate, per esempio, nella matrice mitochondrial.

Su difficoltà con la cristallizzazione di proteina

Gli studi a MIPT, abbiamo cominciato a studiare la struttura e la funzione di proteine di membrana. La direzione principale del laboratorio - è la cristallizzazione di proteine. Ma anche abbiamo le attrezzature per determinare la struttura, e vogliamo vedere come queste proteine lavorano all'interno di celle. Con questo scopo è stato il microscopio acquisito il valore di Zeiss ˆ 2 milioni. Di solito, il pensiero microscopico di come uno strumento compatto, comodo, ma è ripieno di una varietà di dispositivi di microscopio. Questo è una macchina veramente bella che può usare tutti i metodi attualmente disponibili per studiare celle e altri problemi biologici di risolvere. Nel futuro, useremo una spettroscopia di PIEDI-IR, una spettroscopia di Raman, una classificazione di cella.

In questo lavoro di laboratorio con soluzioni. Per esempio, per creare una sostanza di cristallo, è necessario fare molte operazioni. È necessario isolare il gene desiderabile dal genoma, la proteina sintetizzata, per esempio, una cella di un batterio o un lievito o un insetto. Le celle tipicamente cominciano da E. coli (Escherichia coli) perché sono per lo più usati per la sintesi di proteine. Quando il materiale puro, può procedere a cristallizzazione. O piuttosto, tentativi di ottenere un cristallo.

Le difficoltà qui sono come segue. Le tecnologie moderne permettono di lavorare con volumi misurati in femtolitrah (10-15 l). Abbiamo assi con 96 celle, ciascuna di cui corrisponde a un tentativo. Allora li riempiamo automaticamente e otteniamo un'immagine che può esser vista su un computer, e possiamo vedere, per ottenere il risultato desiderabile o no. Qualche volta deve usare cento di questi piatti, che deve prendere 10,000 tentativi di ottenere un cristallo, ma ancora ottenere il risultato. Così molti tentativi necessari perché molti dei parametri possono differire: è possibile usare vario surfactants, varie soluzioni tampone, varie temperature - tutto questo conduce a una grande varietà di risultati. Per portare a termine il risultato desiderabile, tutti i laboratori nel mondo hanno fatto ricorso per automatizzare la produzione di cristalli di proteine.

Con il nuovo metodo di cristallizzazione nella membrana, questo processo è diventato un un po' più complicato. Per proteina di membrana il processo di cristallizzazione è anche automatizzato, che non è stato là prima, ma è più complicato che per proteine solubili.

Su optogenetics e cecità di depurazione

Abbiamo i risultati per vario che retinal-contiene proteine, che stavano lavorando per molto tempo. Sono diventati importanti nel contesto di optogenetics. Qui uno potrebbe chiedere: Perché sono così tanti per partecipare a retinal-contenere proteine adesso? Dopotutto, sono stati importanti prima, quando prima hanno provato a cristallizzare. Ma adesso i cristalli sono stati ottenuti, sappiamo le loro funzioni. Allora, perché continuano di lavorare con loro? Questo è alla scoperta della possibilità di usare retinal-contenendo proteine per creare e dirigere impulsi di nervo.
Per esempio, c'è una proteina di canale rhodopsin-2 (Channelrhodopsin-2, chr2), che serve come un canale per il passaggio di cations attraverso la membrana, ma questo richiede un segnale nella forma di luce azzurra. In questo caso, la conformazione della proteina è cambiata, il canale si apre e cations può passare attraverso. Se mette questo sistema nella cellula nervosa, è possibile creare un impulso di nervo è soltanto un lampo di luce. c'è altra proteina per interrompere questo impulso - galorodopsin (Halorhodopsin), che anche appartiene a retinal-contenendo e è responsabile del trasporto di ioni di cloruro. Le accuse positive, che sono state originariamente nella cella, può adesso compensare della negazione e così fermare l'impulso.

Così, abbiamo il modo perfetto di creare e l'arresto dell'impulso di nervo. Questo è uno dei modi di usare queste proteine in optogenetics, la ricerca che è adesso sostenuta da molti governi. Ci sono state molte predizioni che è per il Premio Nobel questo anno.
Il termine in questa direzione può esser ottenuto da una varietà di risultati utili. Personalmente, sogno sulla cura di cecità, cioè la distruzione della retina. Sono situati dietro la cella di ganglio di retina, che può esser messa in, per esempio, queste due proteine. Allora gli impulsi di nervo che vanno al cervello sembrano essere sotto l'influenza di luce. Forse un giorno questa gente avrà almeno una vista nera e bianca.
Altra direzione - è il Morbo di Parkinson. Adesso prova a guarire introducendo elettrodi in aree certe dell'azione di polso e di cervello attraverso loro. Il gruppo ha dedicato a questo, c'è centro di Ricerca di Yulyuh. Con l'aiuto di luce, forse sarà possibile fare molto più in modo efficiente ed esattamente, perché la luce può esser controllata in un piccolo volume, mentre il polso elettrico si è rivolto a una porzione importante del cervello.

Il mondo oggi sviluppa parecchi progetti collegati a optogenetics, quindi anche lavoriamo in questo. Anche cerchiamo altro che retinal-contiene proteine, la struttura di cui già sappiamo e questo può esser usato in un modo simile.

Sullo studio su invecchiamento e le prospettive di commercializzazione

Il gruppo di Vadim Cherezova che prova a cristallizzare le proteine nuove. Ho menzionato sopra coinvolto in comunicazione le proteine di GPCR. Formano una pluralità di più di 800 recettori, che possono esser divisi in dimensione di famiglie. Ci piacerebbe sapere la struttura di proteina di ogni famiglia, siccome speriamo di essere capaci di ottenere le strutture di altre proteine con l'aiuto di simulazione. Questo richiede molto tempo, ma è molto importante perché è associato con lo sviluppo di nuovi trattamenti.

Nel nostro gruppo investighiamo le proteine che servono come canali per il trasferimento di sostanze attraverso la membrana. Abbiamo interesse anche per Valentin Gordeliy su invecchiamento. Vogliamo studiare la morte di cella, l'invecchiamento, e chiarificare il ruolo di proteine di membrana, così come l'invecchiamento intero di membrana.

In mondo di oggi, la gente di solito muore da problemi come cancro e attacchi cardiaci. Ma se non muore da esso, allora questo sarebbe la causa della morte? Supponga che abbiamo guarito il cancro e gli attacchi cardiaci. Che allora? Gli scienziati hanno idee diverse di questo soggetto. Per esempio, quando mangia, produce radicali liberi che possono danneggiare il DNA. È questo la causa della morte finale o no? Intorno al mondo a questi problemi, molti ricercatori lavorano. E poiché è collegato a comunicazione di cella, si sovrappone con lo studio su membrane di cella.

La commercializzazione possibile per ogni proteina di membrana - per partecipare alla trasmissione di segnali e quelli responsabili del trasferimento di sostanze, siccome sono tutti associati con salute di cella. Con scopi medici è molto importante essere capace di creare sostanze che interagiscono con queste proteine. Per di più, le società farmaceutiche hanno bisogno di migliorare questi agenti prima di uso medico. Ci sono grandi laboratori fidanzati di ottenimento di farmaci più efficaci basati su metodi esistenti per mezzo di computer. Potevamo fare lo stesso. Ma dobbiamo lavorare con queste società, perché quando ha una buona medicina, ma dirige una piccola istituzione, non sono sufficienti soldi per portarlo ai pazienti. Deve passare attraverso molti stadi di prove cliniche costose. Perciò, le piccole istituzioni come il nostro lavoro su problemi comuni, e se troviamo la buona roba o la struttura, poi la vendono una grande società o fanno il pubblico, senza ricevere qualsiasi soldi per lei. Allora le società farmaceutiche saranno capaci di iniziare la produzione di medicine.

Otterremo la struttura di proteina, e lavoreranno con lei sviluppi ulteriori per passare grandi società farmaceutiche, poiché è di solito in tali piccole società ancora non hanno sufficienti soldi per condurre prove costose.