Раскрыта "механика жизни": ферменты работают, как мягкие программируемые машины
Ученые из Института Вейцмана совместно с коллегами из Южной Кореи описали работу клеточных ферментов, как действия программируемых нанороботов.
В живых клетках работает множество молекулярных машин, которые постоянно преобразуют энергию, материю и информацию. Среди этих машин особенно важную роль играют специальные белки – ферменты. Они на много порядков ускоряют метаболические реакции и тем самым облегчают процессы, поддерживающие жизнь. Исследование работы ферментов – одно из важнейших направлений клеточной биологии, но измерение и прогнозирование механического движения ферментов и сил, действующих при таком движении, оказалось чрезвычайно сложной задачей.
Новое исследование, опубликованное в журнале Nature Physics, решает эту задачу. Работа является результатом международного сотрудничества под руководством профессора Цви Тлусти из Института фундаментальных наук (IBS), Ульсан, Республика Корея и профессора Элиши Мозеса из Института Вейцмана.
Ученые объединили модели искусственного интеллекта (ИИ) и численное моделирование молекулярной динамики для прогнозирования внутренней динамики ферментов. Ученые предложили новый физический подход, который они назвали "нано-реологии" для измерения процессов внутренней динамики. (Реология – это раздел физики, который изучает вязкость и деформацию материи).
Вычислительные модели и эксперименты завершились разработкой новой вязкоупругой модели ферментов, продемонстрировавшей взаимосвязанные эффекты упругих сил, возникающих при растяжении или скручивании молекулярных связей, и сил трения, связанных с разрывом и переформированием связей.
"Эта новая физическая модель может объяснить, как тонкие, наномасштабные движения и силы внутри ферментов влияют на их биологические функции. Она позволяет нам воспринимать белки как мягких роботов или программируемую активную материю", – говорит профессор Тлусти.
Хотя эта работа носит фундаментальный характер, у нее могут появиться многочисленные практические приложения. В первую очередь – это дизайн лекарств и программирование самих ферментов. Понимание механики ферментов может помочь в разработке лекарств, которые будут воздействовать на ферменты более точно и направленно. Возможность программировать ферменты может привести к созданию новых биокатализаторов для самых разных промышленных и биотехнологических приложений.