Międzynarodowy zespół naukowców pod kierownictwem prof. Joanny Sułkowskiej z Centrum Nowych Technologii UW opublikował w czasopiśmie „Proceedings of the National Academy of Sciences” wyniki badań, które zmieniają nasze myślenie o architekturze życia. Naukowcy i naukowczynie opisali pierwsze struktury krystaliczne białek o nieznanym dotąd motywie wśród białek typu solenoid – tzw. Knotted Solenoids (zawęźlone solenoidy).
Co kluczowe, istnienie tej unikatowej formy zostało wcześniej zasugerowane przez sztuczną inteligencję (AlphaFold), choć wydawało się mało wiarygodne. Niemniej jednak polskie badania dostarczyły ostatecznego, eksperymentalnego dowodu na to, że algorytmy AI potrafią trafnie projektować nawet najbardziej złożone topologicznie sekrety natury.
Wyjątkowy motyw strukturalny
Białka te przypominają z wyglądu ciasno zwinięte powtarzające się helisy (solenoidy). Unikatowość tego motywu polega na specyficznym przesunięciu łańcucha poprzez tzw. mechanizm „skip-and-backtrack”. W procesie tym jeden zwój spirali celowo pomija periodyczność. Ta subtelna zmiana sprawia, że cząsteczka zawiązuje się, tworzy węzeł trójlistny (31).
– Odkrycie tej struktury i jej interpretacja były możliwe dzięki interdyscyplinarnemu podejściu łączącemu badania doświadczalne i najnowsze algorytmy AI. Publikacja powstała dzięki szczegółowym badaniom stabilności chemicznej i termicznej we współpracy z prof. Sophie Jackson, Cambridge University oraz Zakładem Biofizyki Wydziału Fizyki UW. Wyniki badań doświadczalnych zostały zinterpretowane przy pomocy klasycznych symulacji numerycznych oraz metod AI pozwalających próbkować szeroki zakres krajobrazu energetycznego, a w konsekwencji opracować teorie zwijania nowych foldów białkowych. Z drugiej strony wykazaliśmy, że ten specyficzny motyw występuje u konkretnej grupy bakterii i pozostaje zachowany ewolucyjnie mimo ogromnej zmienności sekwencji aminokwasowej – wyjaśniają badacze.
Presja ewolucyjna a poprawa jakości życia
Odkrycie zawęźlonych białek w rodzinie struktur, które dotychczas uważano za odwęźlone, to dla nauki zupełnie nowe otwarcie. Daje ono niepowtarzalną szansę na zbadanie, jak presja ewolucyjna oraz obecność węzłów wpływają na kształtowanie się architektury białek i ich funkcje. Obecność stałych, zachowanych ewolucyjnie elementów w samym rdzeniu węzła sugeruje, że to zapętlenie pełni kluczową funkcję biologiczną lub strukturalną. Wiele białek o strukturze solenoidów odpowiada za procesy chorobowe, w tym infekcje bakteryjne czy choroby neurodegeneracyjne. Wiedza o ich „zawęźlonej” naturze pozwala tworzyć terapie, które precyzyjniej i skuteczniej blokują ich działanie, dając szereg nowych zastosowań w medycynie.
– Te nowe odkrycia pomagają lepiej zrozumieć procesy odpowiedzialne za zmiany w architekturze białek na przestrzeni milionów lat. Pokazują, że aby wyjaśnić stabilność enzymów, należy wziąć pod uwagę więcej czynników niż tylko samą sekwencję aminokwasów, w tym topologię i ewolucyjne pochodzenie – podsumowują autorzy badań.
