Белки LOV очень популярны среди молекулярных биологов; с их помощью можно включать и выключать биологические процессы практически одним щелчком переключателя. В сочетании с другими белками можно управлять этими белками с помощью света и изучать метаболические процессы в модифицированных клетках.
Довольно эмоционально звучащее название этого биологического переключателя имеет земное происхождение; это просто аббревиатура от слов «свет, кислород и напряжение» — его полное название — «флавин-связывающий свет, кислород, фоторецептор напряжения».В природе светочувствительные белковые молекулы стимулируют биологические процессы, например рост растений к свету и производство пигментов фотосинтеза в бактериях, когда на них падает свет. Их широкое распространение по своей природе и их технологическая полезность частично объясняется тем, что они функционируют по модульному принципу: функцию переключения можно комбинировать со многими другими процессами.
Первые эксперименты с белками LOV с использованием рассеяния нейтронов в Центре Хайнца Майера-Лейбница в Гархинге показали важность внутренних движений этих биомолекул для их функциональности. Ученые проанализировали один такой рецептор из почвенной бактерии Pseudomonas putida с временным разрешением в нано- и пикосекундной шкале времени. «Мы обнаружили более интенсивные движения в неэкспонированных белках, чем в тех, которые подвергались воздействию света», — объяснил доктор Андреас Стадлер из Института сложных систем и Центра нейтронных исследований Юлиха в Forschungszentrum Julich. «Открытая версия жестче, особенно в определенных областях».Чтобы выяснить, какие области белка находятся в движении, исследователи сравнили свои нейтронные анализы со структурной информацией, уже полученной в результате рентгеновских экспериментов с кристаллизованными белками LOV, а затем смоделировали возможные движения на компьютере.
Это было необходимо, потому что нейтроны не могут регистрировать движения отдельных частей белковых молекул, а могут регистрировать только усредненные движения всех белков в образце. По этой причине всегда необходимы дальнейшие эксперименты, чтобы гарантировать правильную интерпретацию результатов. «При правильном использовании, как в данном случае, нейтроны могут продемонстрировать все свои возможности и дать уникальное представление о функциях биологических процессов», — с энтузиазмом сказал Стадлер.
В случае проанализированных белков LOV уже было понятно, что две белковые молекулы вместе образуют функциональную единицу. Их форма в активном обнаженном состоянии немного напоминает голову кролика с заостренными ушами. В неактивном, незащищенном состоянии «кроличьи уши» свешиваются вниз.
Движения, которые исследователи теперь обнаружили у необлученных белков, в точности совпадают с идеей, что это состояние более гибкое и подвижное, тогда как вертикальные «уши» действительно более жесткие и жесткие.Из более ранних экспериментов также было ясно, что светоактивный центр был расположен в «щечной» области «головы кролика» белка.
Под воздействием света возникает химическая связь между светоактивным центром и определенной позицией на основе протеина. Теперь ученые предполагают, что создание этой связи приводит к структурным изменениям, которые распространяются через белок до «ушей», вызывая их жесткость и одновременное скручивание. Предположительно, «уши» представляют собой фактический переключатель, который может активировать или деактивировать взаимосвязанные белки.
Нейтроны обладают многочисленными преимуществами по сравнению с другими методами анализа белков и могут предоставить важную дополнительную информацию. Белки не нужно красить, кристаллизовать или изменять каким-либо образом, чтобы проводить с ними эксперименты.
Кроме того, этот процесс очень щадящий для образцов, за которыми затем можно наблюдать в течение более длительных периодов времени. И последнее, но не менее важное: легкие атомы в таких молекулах, как, например, водород, легче обнаружить даже в естественной среде белков — водных растворах.