Tóm tắt

Một nhóm nghiên cứu bao gồm Giáo sư Tsukazaki Tomoya của Phòng thí nghiệm Khoa học Đời sống Sinh học Sinh học, Trường Đại học Khoa học và Công nghệ tiên tiến, Đại học Nara (Chủ tịch Takayuki (và giáo sư thỉnh giảng, Trung tâm nghiên cứu sáng tạo cuộc sống), và Phó giáo sư Mori Takaharu của Đại học Khoa học Tokyo, sử dụng một đơn vị của Permeabilizer màng vi khuẩn, phức tạp Secyeg-Seca, hình dung thành công quá trình của protein

Màng sinh học là những cấu trúc quan trọng bảo vệ các tế bào khỏi thế giới bên ngoài, nhưng các đại phân tử như protein thường không thể thấm qua màng này Do đó, một phức hợp được tạo thành từ các protein gọi là SEC tồn tại tỷ lệ kèo nhà cái net màng sinh học, hoạt động như một thiết bị thấm vào protein Thiết bị này không đi qua ở giai đoạn trưởng thành, nơi các protein có cấu trúc và chức năng 3D, mà là thấm vào các protein giống như chuỗi chưa trưởng thành (※ 2) Tuy nhiên, mặc dù có nhiều phân tích đã được tiến hành cho đến nay, không có trường hợp nào tỷ lệ kèo nhà cái net số các trường hợp đã nắm bắt được một phép hoán vị màng protein tỷ lệ kèo nhà cái net hành động

tỷ lệ kèo nhà cái net nghiên cứu này, một đơn vị phức hợp secyeg-seca atpase đã được nhúng vào các hạt nano gọi là nanodisks, và hơn nữa, một loại protein giống như chuỗi có thể thấm vào các phản ứng của protein Phản ứng này đã được quan sát bằng cách sử dụng HS-AFM và ghi lại thành công quá trình thẩm thấu màng của protein dưới dạng video (xem video)

Một phân tích chi tiết sử dụng hình ảnh này cũng sử dụng cấu trúc protein dự đoán bằng alphafold (*3), một hệ thống AI dự đoán các cấu trúc ba chiều từ chuỗi axit amin chính và có thể nắm bắt được các thay đổi cấu trúc tỷ lệ kèo nhà cái net SECA phụ thuộc vào quá trình thủy phân ATP Cụ thể, chúng tôi đã chỉ ra rằng SECA có hai trạng thái cấu trúc động, "cao" và "thấp", được liên kết với chu trình ATP tạo ra năng lượng thấm Chúng tôi cũng ước tính rằng tốc độ thẩm thấu màng của protein là khoảng 2,2 dư lượng axit amin mỗi giây

Nghiên cứu này mở ra một con đường mới để làm sáng tỏ các cơ chế phân tử động của vận chuyển protein, và là một công nghệ có thể được áp dụng để phát triển sinh học cơ bản và động lực học nano của các protein màng khác
Kết quả nghiên cứu này là từ Tạp chí Khoa học Quốc tếĐược phát hành trên "Truyền thông tự nhiên" vào thứ Tư, ngày 8 tháng 1 năm 2025 lúc 10 giờ sáng (giờ London)Đã đọc (doi: 101038/s41467-024-54875-x)

Bối cảnh và mục đích

màng sinh học cho phép các tế bào cô lập ra khỏi môi trường bên ngoài, nhưng nhiều polyme không thể đi qua màng này Nhiều protein được tổng hợp tỷ lệ kèo nhà cái net các tế bào phải được vận chuyển qua màng đến các vị trí cụ thể để thực hiện chức năng của chúng Do đó, tất cả các sinh vật đều có các phức hợp protein màng được gọi là Translocones SEC Translocon vi khuẩn SEC bao gồm các phức hợp Secyeg, tạo thành protein thấm protein và cho phép các protein chưa trưởng thành, giống như chuỗi đi qua Việc vận chuyển protein này được điều khiển bởi SECA ATPase hoạt động cùng (ATP hydrolase) (Hình 1)

tỷ lệ kèo nhà cái net các nghiên cứu trước đây, người ta tin rằng phức hợp Secyeg-seca sẽ gây ra phản ứng thẩm thấu màng tỷ lệ kèo nhà cái net một đơn vị, nhưng không có trường hợp nào được quan sát tỷ lệ kèo nhà cái net thời gian thực để thấy trạng thái động tỷ lệ kèo nhà cái net đó protein thực sự được vận chuyển tỷ lệ kèo nhà cái net một đơn vị tỷ lệ kèo nhà cái net nghiên cứu này, chúng tôi nhằm mục đích tối ưu hóa phương pháp chuẩn bị mẫu và nắm bắt phức hợp Secyeg-seca hoạt động tỷ lệ kèo nhà cái net một đơn vị bằng kính hiển vi lực nguyên tử tốc độ cao (HS-AFM)

Nội dung nghiên cứu

tỷ lệ kèo nhà cái net nghiên cứu này, các kỹ thuật chuẩn bị và quan sát mẫu đã được tối ưu hóa để quan sát quá trình năng động của sự thẩm thấu màng protein bởi phức hợp Secyeg-seca Secyeg và SecA có các đặc tính của việc lặp lại liên kết và phân ly in vivo, và quan sát trực tiếp là khó khăn khi còn lại như vậy Do đó, các phức hợp ổn định đã thu được bằng cách sử dụng protein tổng hợp liên kết nhân tạo SecY và SecA Hơn nữa, phức hợp Secyeg-seca đã được hoàn nguyên thành các hạt nano gọi là "nanodisks" được làm từ lipid và protein xương màng để chuẩn bị các mẫu đơn vị

Là một protein cơ chất thấm màng, một protein tỷ lệ kèo nhà cái net đó protein sfGFP huỳnh quang được hợp nhất với đầu cuối C (nửa cuối của mặt có thể sử dụng protein có chuỗi chưa trưởng thành Vì SFGFP có cấu trúc rất ổn định và không có cấu trúc giống như chuỗi, chúng tôi đã sử dụng điểm đánh dấu tại các đầu của các protein giống như chuỗi, rất khó quan sát

tỷ lệ kèo nhà cái net thí nghiệm, các nanodisks có chứa Secyeg-seca lần đầu tiên được trộn với Proompa-SFGFP và được quan sát với HS-AFM Các mẫu được đặt trên bề mặt của mica (MICA) và đo tỷ lệ kèo nhà cái net hình ảnh, chúng ta có thể thấy một phức hợp tỷ lệ kèo nhà cái net đó Proompa-SFGFP được liên kết với một đơn vị của Secyeg-seca (Hình 2)

tỷ lệ kèo nhà cái net Hình 2, tình trạng này không được áp dụng cho ATP và phản ứng thẩm thấu màng của protein không xảy ra và protein cơ chất vẫn ở phía SECA Bằng cách thêm ATP vào các điều kiện này, chúng tôi có thể tạo ra phản ứng thẩm thấu màng và chúng tôi có thể ghi lại tỷ lệ kèo nhà cái net thời gian thực, các chức năng phức tạp của Secyeg-seca như một đơn vị và hoạt động của chất hoán vị màng protein (video, Hình 3) Hình ảnh đã chụp được sự thẩm thấu màng thực tế của protein chất nền giống như chuỗi từ phía SECA (phía trên tỷ lệ kèo nhà cái net hình) sang phía Secyeg (phía dưới tỷ lệ kèo nhà cái net hình) theo thời gian Kết quả này cung cấp bằng chứng chắc chắn rằng một đơn vị phức hợp Secyeg-seca có khả năng thẩm thấu màng protein

Hình 3 Trực quan hóa sự thẩm thấu màng protein (xem video)
Sự thẩm thấu màng của protein được hình dung bởi HS-AFM tỷ lệ kèo nhà cái net giai đoạn đầu tiên, nửa sau của vùng thấm màng chứa GFP có thể được quan sát từ phía SECA, nhưng theo thời gian, sự thẩm thấu của màng tiến triển và số lượng các vùng protein có thể được quan sát từ phía Secyeg tăng lên Cấu trúc của GFP là ổn định và sự thẩm thấu màng của protein đã dừng (hoàn chỉnh) ở trạng thái được hiển thị ở bên phải

Người ta biết rằng SECA trải qua các thay đổi cấu trúc do thủy phân ATP, nhưng bằng cách phân tích hình ảnh thu được với HS-AFM một cách chi tiết, chúng tôi cũng đã tìm thấy những thay đổi cấu trúc tỷ lệ kèo nhà cái net SecA Một mô hình cấu trúc chi tiết của secyeg-seca có chứa các sợi nano được xây dựng bằng cách sử dụng các tính toán động lực học alphafold và phân tử (*4) và so sánh chúng với hình ảnh của HS-AFM, và nó đã được tiết lộ rằng SECA có hai mẫu cấu trúc khác nhau, "cao" và "thấp" tỷ lệ kèo nhà cái net quá trình thấm màng protein Chúng tôi đã chỉ ra rằng hai trạng thái này tương ứng với các loại seca "mở rộng" và "đóng" trước đây Hơn nữa, chúng tôi đã tiến hành một thí nghiệm bằng cách thay đổi loại nucleotide để xác định tỷ lệ trạng thái cấu trúc được thực hiện bởi SECA Như được hiển thị tỷ lệ kèo nhà cái net Hình 4, trạng thái cấu trúc của SECA thay đổi cùng với chu trình ATP, cho thấy sự thay đổi cấu trúc này đóng vai trò quan trọng tỷ lệ kèo nhà cái net việc điều khiển sự thẩm thấu màng của protein cơ chất Hơn nữa, khi chúng tôi phân tích tốc độ vận chuyển từ các hình ảnh tỷ lệ kèo nhà cái net đó protein được vận chuyển, ước tính protein chất nền đi qua màng với tốc độ khoảng 2,2 dư lượng axit amin được vận chuyển mỗi giây tỷ lệ kèo nhà cái net hệ thống thử nghiệm này (Hình 4)

Nghiên cứu này là ví dụ thời gian thực đầu tiên về quá trình động tỷ lệ kèo nhà cái net đó một đơn vị phức hợp Secyeg-seca gây ra sự thẩm thấu protein, dẫn đến một tiến bộ đáng kể tỷ lệ kèo nhà cái net việc tìm hiểu vận chuyển protein

Phát triển tỷ lệ kèo nhà cái net tương lai

Nghiên cứu này đã đạt được một thành tựu lớn và là một thành tựu lớn tỷ lệ kèo nhà cái net thực tế là chúng tôi đã quan sát thành công quá trình vận chuyển protein, trước đây rất khó nắm bắt trực quan Chu kỳ thay đổi cấu trúc tỷ lệ kèo nhà cái net ATPase SECA được trình bày tỷ lệ kèo nhà cái net nghiên cứu này cung cấp thông tin có giá trị để hiểu tổng thể hệ thống vận chuyển protein in vivo tỷ lệ kèo nhà cái net tương lai, chúng tôi muốn phát triển hơn nữa nghiên cứu này, tiến hành phân tích chi tiết về vận chuyển protein bằng các phức hợp của SEC và áp dụng phương pháp này để tiến hành phân tích động các protein màng khác

Thuật ngữ

*1 Kính hiển vi lực nguyên tử tốc độ cao (HS-AFM)
tỷ lệ kèo nhà cái net vùng sinh học, các phân tử sinh học như protein tỷ lệ kèo nhà cái net dung dịch nước có thể có được tỷ lệ kèo nhà cái net thời gian thực Độ phân giải tạm thời là vài hàng chục mili giây và độ phân giải không gian là khoảng 1nm, cho phép phân tích động của các hạt được đặt hàng tỷ lệ kèo nhà cái net mét nano (1 tỷ)

*2 Permation protein chưa trưởng thành, giống như chuỗi
Protein là polypeptide liên kết với axit amin và tỷ lệ kèo nhà cái net nhiều trường hợp, các nếp gấp polypeptide (nếp gấp) để hình thành và hoạt động tỷ lệ kèo nhà cái net một cấu trúc cụ thể tỷ lệ kèo nhà cái net sự thẩm thấu màng của các protein được bao phủ bởi nghiên cứu này, polypeptide được vận chuyển ở trạng thái giống như chuỗi trước khi gấp

*3 Alphafold
Một hệ thống dự đoán cấu trúc protein sử dụng AI, đây là chủ đề của giải thưởng Nobel về hóa học năm nay

*4 Tính toán động lực phân tử
Một phương pháp nghiên cứu sử dụng động lực phân tử để tính toán hành vi của các phân tử sinh học như protein Mô phỏng MD

Bài báo được xuất bản

Tiêu đề

AFM Quan sát chuyển vị protein qua trung gian bởi một đơn vị phức tạp Secyeg-seca
(Hấp thụ thẩm thấu màng protein thông qua một đơn vị phức hợp Secyeg-seca bằng kính hiển vi lực nguyên tử)

Tác giả

Yui Kanaoka, Takaharu Mori, Wataru Nagaike, Seira Itaya, Yuto Nonaka, Hidetaka Kohga, Takamitsu Haruyama Tsukazaki (Kanaoka Yui, Mori Takaharu, Nagaike Kou, Itaya Narira, Nonaka Yuji, Koga Sakae Tomoya)

Tạp chí đã xuất bản

Truyền thông tự nhiên

doi

doi: 101038/s41467-024-54875-x