Эволюция белков шла по пути ускорения сворачивания

Эволюция происходит на всех уровнях жизни, и белковые молекулы эволюционируют точно так же, как птицы и звери. Но если к эволюции животных мы уже более или менее привыкли, то в случае эволюции макромолекул многое остаётся загадкой: в какую сторону развиваются, например, те же белки, как быстро они это делают и т. д.

Учёным из Института теоретических исследований в Гейдельберге (Германия) удалось определить важное направление молекулярно-белковой эволюции, хотя, возможно, оно и не единственное. В статье, опубликованной в веб-журнале PLoS Computational Biology, сообщается, что эволюция белков шла по пути ускорения фолдинга, то бишь сворачивания белковой молекулы, приобретения ею функциональной пространственной конформации.

Авторы работы проанализировали данные о 92 тысячах белков. Сравнение, разумеется, проводилось с помощью компьютерных методов, при этом особое внимание обращалось на возраст пептидных структур. Был разработан специальный алгоритм, который позволял сравнивать их между собой во временнóм масштабе, с учётом времени возникновения. Так, можно было определить, в каком организме появился белок и когда именно. Одновременно исследователи моделировали фолдинг белков. Процесс фолдинга, при котором белок принимает уникальную пространственную структуру, у разных молекул занимает от наносекунд до минут.

При этом оценивалось сворачивание в двух точках молекулы — точнее, степень их сближения при сворачивании. Это отнимало гораздо меньше времени, чем воссоздание фолдинга всей молекулы, и позволяло оценить именно скорость процесса. Собственно говоря, исследователи сравнивали даже не столько сами белковые молекулы, сколько способы сворачивания: белки могут иметь разную пространственную форму, но идут к ней они сходным способом, и этот способ может быть как быстрым, так и не очень.

В итоге учёные пришли к выводу, что белки, от архейных до тех, что можно найти в многоклеточных организмах, с течением времени сворачивались всё быстрее. И одним из факторов такого ускорения оказалось, по-видимому, укорочение полипептидной цепи. То есть древнейшие белки были более громоздкими и использовали более долгие схемы сворачивания.

Авторы полагают, что на заре жизни это было вполне оправданным: белкам приходилось перестраховываться, чтобы случайно не свернуться неправильно. Потом, с развитием клеточной жизни, белковые молекулы оказались в более комфортных условиях, которые позволяли свернуться быстро и точно. Не следует забывать и о дополнительных клеточных механизмах, которые помогают правильному белковому фолдингу и исправят в случае чего ошибочную конформацию (как это делают шапероны). По мнению учёных, разные формы молекул как раз и произошли из-за того, что белки постоянно искали способ быстрого сворачивания.

Подготовлено по материалам Института теоретических исследований в Гейдельберге.