Nie tylko lepkość: co naprawdę decyduje o ruchu białek wewnątrz komórki

Ruch białek w zatłoczonym wnętrzu komórki jest bardziej złożony, niż wynikałoby z samej lepkości środowiska. Badania przeprowadzone z wykorzystaniem European XFEL pokazują, że istotne znaczenie mają również wzajemne oddziaływania między białkami oraz właściwości cząsteczek obecnych w ich otoczeniu. W określonych warunkach pojedyncze białka mogą nawet początkowo poruszać się swobodniej, zanim dominujący stanie się spowalniający wpływ wzrostu lepkości.

W artykule:

• jak białka przemieszczają się w zatłoczonym środowisku przypominającym wnętrze komórki,
• dlaczego sama lepkość nie wystarcza do opisania dynamiki białek,
• jak wykorzystano ferrytynę i promieniowanie rentgenowskie European XFEL,
• w jaki sposób białka przejściowo tworzą niewielkie kompleksy,
• dlaczego przy małym stężeniu polimerów ruch białek może początkowo przyspieszać,
• jakie znaczenie wyniki mogą mieć dla biologii komórki i przyszłych badań medycznych.

Białka w zatłoczonym środowisku komórki

W jaki sposób białka znajdują drogę przez niezwykle gęsto wypełnione wnętrze komórki? Międzynarodowy zespół naukowców, w którego pracach uczestniczyli badacze z Uniwersytetu w Siegen, analizował to zagadnienie w European XFEL – największym na świecie ośrodku wykorzystującym laser rentgenowski.

Wyniki pomiarów wskazują, że o ruchu białek nie decyduje wyłącznie lepkość otaczającego je środowiska. Istotne okazują się także wzajemne oddziaływania między cząsteczkami. W określonych warunkach mogą one prowadzić nawet do sytuacji, w której pojedyncze białka początkowo przemieszczają się szybciej, niż można byłoby oczekiwać na podstawie samego wzrostu gęstości środowiska.

Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). Pierwszą autorką pracy jest Michelle Dargasz, doktorantka związana z Uniwersytetem w Siegen.

Promieniowanie rentgenowskie pozwoliło śledzić ruch w skali nanometrowej

Jak podkreśla Michelle Dargasz, możliwość prowadzenia badań w European XFEL była szczególnie cenna ze względu na bardzo małe rozmiary analizowanych struktur. Białka mają rozmiary mierzone w nanometrach, dlatego krótkofalowe promieniowanie rentgenowskie dobrze nadaje się do badania ich zachowania.

Białka pełnią w komórkach podstawowe funkcje biologiczne. Uczestniczą w reakcjach chemicznych, przekazywaniu sygnałów oraz współdziałają z innymi białkami. Realizacja tych zadań wymaga jednak przemieszczania się w niezwykle zatłoczonym środowisku wewnątrzkomórkowym.

Od dawna wiadomo, że lepkość otoczenia wpływa na mobilność białek. Wyniki przedstawione przez Dargasz i współpracowników wskazują jednak, że opis tego zjawiska wyłącznie za pomocą lepkości jest niewystarczający.

Ferrytyna jako model dynamiki białek

W eksperymentach wykorzystano ferrytynę – białko występujące u niemal wszystkich organizmów żywych i odpowiadające za magazynowanie żelaza. Do wodnego roztworu białka badacze dodawali różne substancje mające odtwarzać warunki panujące w gęsto wypełnionym wnętrzu komórki. Stosowano cząsteczki o bardzo różnych rozmiarach – od niewielkich cząsteczek cukrów po duże, rozgałęzione cząsteczki polimerowe.

W European XFEL ruch białek śledzono za pomocą wysokorozdzielczej megahercowej rentgenowskiej spektroskopii korelacji fotonów. Metoda umożliwia obserwację zmian zachodzących w bardzo krótkich skalach czasowych, obejmujących milionowe części sekundy.

Johannes Möller, naukowiec pracujący przy instrumencie MID w European XFEL, wyjaśnia, że bardzo szybko następujące po sobie impulsy promieniowania rentgenowskiego umożliwiają obserwowanie dokładnie tych krótkich przedziałów czasu, w których białka przemieszczają się w gęsto upakowanym otoczeniu.

Białka nie tylko zwalniają – również organizują się w niewielkie kompleksy

Pomiary wykazały, że dodawane do roztworu cząsteczki nie tylko zwiększały jego lepkość. Zmieniały również sposób, w jaki poszczególne białka organizowały się względem siebie.

W obecności tych cząsteczek pomiędzy białkami pojawiało się przyciąganie, prowadzące do krótkotrwałego tworzenia niewielkich kompleksów złożonych z dwóch lub trzech białek. Po pewnym czasie kompleksy rozpadały się, a ich składniki mogły następnie ponownie łączyć się w innym miejscu.

Białka znajdujące się w takich niewielkich kompleksach przemieszczały się nieco wolniej niż pojedyncze cząsteczki.

Według Michelle Dargasz rozmiar i kształt cząsteczek stosowanych do odtwarzania warunków panujących wewnątrz komórki decydują o tym, w jakim stopniu białka organizują się w najmniejszej skali. W konsekwencji właściwości otaczających cząsteczek wpływają również na wspólną dynamikę białek.

Większa gęstość nie zawsze od razu oznacza wolniejszy ruch

Jednym z najbardziej zaskakujących wyników było stwierdzenie, że wzrost gęstości środowiska nie powodował prostego i stopniowego spowalniania pojedynczych białek.

Jak wskazuje prof. Christian Gutt z Uniwersytetu w Siegen, który kierował badaniem, ruchu białek nie można wyjaśnić wyłącznie lepkością ich otoczenia. Przy niewielkich stężeniach cząsteczek polimerowych badacze obserwowali, że białka początkowo mogły poruszać się swobodniej. Dopiero przy dalszej zmianie warunków dominować zaczynał hamujący wpływ lepkości.

Według autorów takiego zachowania w analizowanym układzie nie obserwowano wcześniej. Wynik pokazuje, że zależność między składem środowiska, jego właściwościami fizycznymi i ruchem makrocząsteczek biologicznych jest bardziej złożona niż prosty model, zgodnie z którym wzrost lepkości musi prowadzić bezpośrednio do proporcjonalnego zmniejszenia mobilności białka.

Znaczenie dla biologii komórki

Uzyskane wyniki mogą pomóc w dokładniejszym opisie procesów zachodzących wewnątrz żywych komórek. Dostarczają bardziej realistycznego obrazu tego, w jaki sposób białka poruszają się i współdziałają w warunkach zbliżonych do naturalnego środowiska wewnątrzkomórkowego.

W dłuższej perspektywie wiedza ta może ułatwić wyjaśnianie podstawowych procesów biologicznych, w tym współpracy między białkami oraz aktywności enzymów.

W praktyce klinicznej

Badanie ma obecnie charakter podstawowy i nie przedstawia bezpośrednio nowej metody leczenia. Autorzy wskazują jednak, że lepsze poznanie zachowania białek w zatłoczonym środowisku komórkowym może w przyszłości mieć znaczenie między innymi dla dokładniejszego rozumienia procesów chorobowych oraz doskonalenia sposobów dostarczania leków w wybranych schorzeniach.

Międzynarodowa współpraca badawcza

W badaniu uczestniczyli naukowcy z Uniwersytetu w Siegen, Uniwersytetu Technicznego w Dortmundzie, Uniwersytetu w Tybindze i Uniwersytetu w Sztokholmie, a także z Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) oraz European XFEL.

Projekt badawczy był finansowany przez niemieckie Federalne Ministerstwo Badań, Technologii i Przestrzeni Kosmicznej w ramach programu ErUM-Pro. Zastosowany sposób przetwarzania danych opracowano natomiast w ramach inicjatywy DAPHNE4NFDI, zgodnie z zasadami FAIR dotyczącymi zarządzania danymi naukowymi.

Źródło: Proceedings of the National Academy of Sciences, „Depletion-induced interactions modulate nanoscale protein diffusion in polymeric crowder solutions”. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.2524733123