Введение к работе
Введение. Актуальность проблемы.
В связи с акцентированием интересов в области молекулярной биофизики на нанотехнологиях и наноматериалах важная роль отводится фибриллярным биополимерам как носителям особых физических характеристик. Источником этих характеристик являются физико-химические свойства макромолекул, которые определяются последовательностью их химических единиц. В настоящее время в мире активно ведутся исследования свойств и структур биополимеров, поскольку они являются основой новых уникальных материалов. Знание структуры биополимера, понимание ее связи с последовательностью химических символов и процессов фибриллогенеза позволит создавать искусственные волокна с заданными свойствами.
Весьма перспективными биополимерами для получения новых материалов считаются белки, образующие паутину. Паук выделяет до пяти типов нитей шелка для различных целей, но особый интерес представляет основная нить паутины, поскольку именно она обладает уникальными свойствами. Например, ее прочность более, чем в три раза превышает прочность кевлара (синтетического волокна, соперничающего со сталью). Кроме того, волокна паучьего шелка обладают высокой биосовместимостью с организмом человека, что открывает большие возможности для использования их в медицине.
Получать нить паутины в промышленных масштабах подобно шелку шелкопряда невозможно из-за биологических особенностей пауков, но такую возможность может предоставить генная инженерия, хотя здесь тоже имеются свои трудности. Гены белков паутины очень длинны, как и сами белки, а потому процесс их воспроизведения сложен и дорог. В связи с этим встает задача упрощения белковой цепи и конструирования искусственного гена, а для этого необходимо знать характерные особенности таких цепей.
Фибрилла основной нити паука состоит из белков двух типов - спидроинов 1 и 2. Хотя исследованию структуры и физико-химических свойств нитей паутины посвящено достаточно много работ, а ее механические свойства изучены достаточно хорошо, к настоящему времени известно всего несколько полных аминокислотных последовательностей белков шелка пауков. Немногое известно и о структуре фибрилл, образующих паутину. Это связано с тем, что экспериментальные методы исследования структуры фибриллярных белков, такие как ЯМР, рентгенография и другие, не дают полного представления об их атомном строении. На данный момент известно, что структуры одиночных макромолекул фибриллярных белков, в том числе и спидроинов, изменяются в
процессе фибриллогенеза. Установлено, что на заключительной стадии формирования белки основной нити паутины содержат Р-структуру, но не известно, какие части последовательности их образуют; так же не известно строение тех частей белка, которые не свернуты в Р-структуру.
На сегодняшний день достаточно хорошо умеют предсказывать вторичную структуру белков по их аминокислотной последовательности статистическими методами. Но нет достаточно надежного метода расчета третичной структуры и, в частности, Р-листов. В связи с этим развитие подходов к расчету пространственной структуры белков, в том числе и спидроинов, по их аминокислотным последовательностям является важной прикладной задачей биоинформатики.
Цель и задачи исследования.
Главной целью проведённой работы было установление связей между последовательностью аминокислот в белках основной нити паутины - спидроинах первого и второго типов - и особенностями формирования их пространственных структур. В задачи работы входило:
анализ локальных и нелокальных особенностей последовательности аминокислот в белках основной нити паутины;
проведение Фурье-анализа последовательностей спидроина первого и второго типов для поиска тех элементов аминокислотных последовательностей, которые связаны с генезисом структур и возникновением необычных физико-химических свойств паутины;
предсказание вторичной структуры спидроинов 1 и 2 по их аминокислотной последовательности;
разработка нового метода расчета антипараллельных Р-структур в белках различных типов по их аминокислотной последовательности и его применение к белкам паутины;
экспериментальный анализ мономолекулярных растворов спидроинов и сухих пленок методами ИК- и КД-спектроскопии.
Научная новизна.
Впервые установлена полная картина распределения периодичностей в последовательностях аминокислот спидроинов первого и второго типов, принадлежащих паукам различных видов.
Впервые показано, что предсказываемые по последовательности аминокислот вторичные структуры содержат очень мало участков Р-структуры. В основном они представляют собой сочетание а-спиралей и левых спиралей типа поли-1-пролин П. Экспериментальное исследование водных растворов спидроина 1 и его генно-инженерных аналогов подтвердило результаты проведенного предсказания. Оно позволило также сделать вывод, что на последнем этапе фибриллогенеза в спидроинах происходит переход: левая спираль типа поли-1-пролин II - Р-структура.
Выделены последовательности аминокислот, отражающие основные черты периодичностей спидроинов 1 и 2. Соответствующие формулы:
(F)n - для спидроина 1;
ABA СА [D В CD А А] [ D BCD Е Е ] DDB - для спидроина 2
Показано, что в спидроинах первого и второго типов наблюдаются одинаковые периоды - это 2 и 14. Такие периоды характерны для распределения аминокислот на участках Р-структуры. По-видимому именно аминокислоты, образующие эту периодичность, ответственны за образование Р-слоев в паутине.
Периодичности распределения аминокислот, определяющие этапы формирования индивидуальных пространственных структур белков-спидроинов, различны и не свойственны таковым для Р-структур. Это и определяет существование квазиглобулярных этапов в фибриллогенезе паутины.
Построена модель процессинга белков паутины на разных этапах ее формирования.
Практическое значение работы.
Полученные в результате исследований аминокислотных последовательностей структурные формулы спидроинов 1 и 2, лежат в основе отбора последовательностей для синтеза спидроино-подобных белков с заданными свойствами генно-инженерными методами. Это позволит получать искусственные волокна шелка паука в количестве, необходимом для получения новых материалов с уникальными свойствами. Использовать такой материал можно будет в различных сферах деятельности человека, в том числе и в области медицины.
Разработанный метод расчета антипараллельной Р-структуры может быть применен для определения пространственной структуры белков, топологию которых сложно или невозможно установить с помощью известных экспериментальных методов.
Апробация работы и публикации.
Основные результаты диссертации были представлены на XLV научной конференции
МФТИ (2002 г.), на Международной конференции по биоинформатике регуляции и структуры генома (BGRS'02, Новосибирск), на Международной московской конференции по вычислительной молекулярной биологии (МССМВ'ОЗ), на международной конференции BGRS (Новосибирск , 2004 г.), на XLIV научной конференции МФТИ (2006 г.).
По материалам диссертации опубликовано шесть печатных работ, в том числе две статьи в реферируемых журналах.
Объём и структура диссертации.
Диссертация изложена на ... страницах, иллюстрирована ... рисунками и содержит ... таблиц, список литературы включает ... ссылку. Диссертация состоит из введения, шести глав, включая обзор литературы, выводов, списка цитированной литературы и приложения.
