Протеины катализируют химические реакции, передают сигналы между клетками, формируют клеточные структуры и играют ключевую роль в поддержании здоровья. Когда возникают болезни, часто именно протеины становятся частью проблемы. Например, при некоторых сердечно-сосудистых заболеваниях структуры белков сердечной ткани заметно нарушены, что можно увидеть с помощью высокоточных методов микроскопии.
Как объясняет профессор химической инженерии Алекс Данн, протеины можно сравнить с балками дома: в клетках больного сердца эти балки оказываются в беспорядке. Такое представление о белках как «рабочих лошадках» клетки, выполняющих множество жизненно важных функций, вдохновило ученых Стэнфордского университета исследовать эти молекулы с разных сторон.
Большая часть секретов протеинов связана с их сложным строением. Белковые молекулы состоят из длинных цепочек аминокислот, которые формируют трехмерные структуры, включая спирали и складки. Эти структуры определяют, как именно протеины выполняют свои функции. Чтобы лучше понять организацию протеинов, профессор Вах Чиу разрабатывает новые методы визуализации, одним из которых стала криоэлектронная микроскопия. Она позволяет замораживать протеины в их естественном состоянии и исследовать их на атомном уровне.
Используя крио-ЭМ, ученые получили беспрецедентное представление о ключевых процессах, например, «сборочных линиях» ферментов, которые, как отмечает профессор Чайтан Хосла, способны с поразительной скоростью производить антибактериальные вещества. Такая визуализация помогает понять, как именно формируются сложные молекулярные системы.
Однако изучение протеинов требует не только наблюдений, но и экспериментов, чтобы выяснить, как они реагируют в различных условиях. Для этого необходимо производить протеины в больших количествах. Профессор Джеймс Свартц разрабатывает метод синтеза протеинов без использования клеток, что ускоряет процесс и позволяет создавать сложные молекулярные структуры, например, «вирусоподобные частицы». Они могут использоваться для доставки вакцин или лекарств прямо к целевым клеткам.
Другие исследования сосредоточены на разработке платформ для массового тестирования вариантов белковых молекул. Профессор Полли Фордайс создала микрофлюидные устройства, позволяющие одновременно тестировать тысячи вариантов протеинов и определять, как изменения их структуры влияют на функцию. Такой подход ускоряет поиск оптимальных мутаций, которые могут улучшить свойства протеинов.
Машинное обучение также становится важным инструментом в работе с протеинами. Используя модели, обученные на известных последовательностях белков, ученые могут прогнозировать, какие мутации сделают молекулу более эффективной. В недавнем исследовании команда профессора Брайана Хая предложила мутации, которые улучшили антитела против SARS-CoV-2, делая их устойчивыми к новым штаммам вируса.
Протеины имеют огромное значение не только в лечении заболеваний, но и в борьбе с экологическими проблемами. Например, инженерные ферменты могут разлагать пластик, решая проблему загрязнения. Также они способны синтезировать биотопливо или химические вещества с минимальными затратами энергии, что приближает нас к углеродно-нейтральному будущему.
Исследования белков открывают новые горизонты в науке, медицине и экологии. От создания лекарств до поиска устойчивых решений для окружающей среды — возможности этих молекул кажутся безграничными. Как отмечает профессор Фордайс, сейчас особенно захватывающее время для работы в этой области, где передовые технологии и фундаментальные открытия идут рука об руку.
Ранее мы рассказывали, как ученые начали синтезировать белки, которых нет в природе.