Легко ли плыть в сиропе. Откуда берутся странные научные открытия

Старение – необратимый процесс. Как и время, оно течет только в одном направлении, его невозможно повернуть вспять, его можно только замедлить, чем, собственно, и занимаются современная медицина и косметология. Одна из основных причин старения лежит в нарушении функционирования белков – основы жизни. С одной стороны, учащающиеся сбои в синтезе белков проводят к образованию "неправильных" белков, с другой стороны, белки организма в некоторых тканях утрачивают свою структуру и функции, то есть денатурируют. Порой при этом сложно свернутый клубок белка разворачивается и превращается в полипептидную нить, годную лишь на то, чтобы быть источником аминокислот для синтеза новых белков. А еще такие деградировавшие молекулы белков слипаются между собой, образуя комочки (ассоциаты, агрегаты, бляшки), которые чисто механически или каким-либо иным способом мешают протеканию жизненных процессов в организме и вызывают болезни. Если такие комочки накапливаются в мозге, то это путь к болезни Альцгеймера, в хрусталике глаза – к катаракте.

Денатурация белков происходит не только внутри живого организма. Когда мы варим или жарим мясо, мы денатурируем содержащиеся в нем белки и тем самым облегчаем их переработку в нашем желудке и кишечнике. Помимо температуры разрушить пространственную структуру белков можно с помощью органического растворителя, например спирта, воздействием множества химических веществ, облучением и так далее; в общем, белки – нежные создания, разрушать их просто, ломать не строить.

Долгое время полагали, что денатурация белков – необратимый процесс. Нас так учили в школе. Но потом оказалось, что его все же можно повернуть вспять. Изящное решение проблемы предложила в 2015 году международная команда американских и австралийских ученых во главе с Томом Юанем из Университета Калифорнии в Ирвайне[43]

.

В качестве объекта исследования ученые выбрали лизоцим – фермент, содержащийся в большом количестве в белке куриных яиц. Выбор понятный, ведь лизоцим – один из самых изученных белков в истории науки, о нем ученые знают всё, включая мельчайшие детали его трехмерной структуры. Итак, исследователи взяли белок сырого яйца, сварили его вкрутую путем нагревания при 90° С в течение 20 минут и получили хорошо всем знакомую твердую белую массу денатурированного белка. Затем они растворили эту массу в растворе мочевины (при этом слипшиеся нити белка разъединяются), раствор поместили в пробирку, установленную под углом в 45°, несколько минут покрутили пробирку в центрифуге при 5000 оборотах в минуту и – о, чудо! – получили раствор исходного лизоцима. Белок восстановил свою пространственную структуру и свои биохимические свойства, степень регенерации превысила 80 %.

В чем тут фокус? При центрифугировании нити белка осаждаются тонким слоем на стенки пробирки, в этом слое в выбранных условиях вращения возникают напряжения сдвига, которые по непонятной пока причине способствуют скручиванию нитей денатурированного белка в трехмерную структуру нативного (исходного природного) белка.

Исследователи показали, что аналогичный эффект наблюдается и в случае более крупных белков – кавеолина-1 и протеинкиназы А. Единственно, что нужно, – это правильно подобрать скорость и продолжительность вращения. Предложили они и конструкцию проточного устройства для непрерывного процесса восстановления (рефолдинга) структуры денатурированных белков.

Но все же изюминкой работы осталось восстановление структуры лизоцима. Переводя с научного языка на обыденный и слегка преувеличивая, можно сказать, что ученым удалось превратить сваренное вкрутую яйцо обратно в сырое. Круто! Тянет на Нобелевскую премию, но для начала исследователи получили Игнобелевскую премию по химии за 2015 год.

Справедливости ради заметим, что не они первыми сделали это. Более того, известно множество методов рефолдинга белков. При всем их различии они сходны в одном: если каким-то образом получить единичную нить белка (например, путем сильного разбавления) и убрать все факторы, вызывающие денатурацию белка, типа "плохих" химических веществ, то полипептидная цепь сама свернется в нужную и предопределенную природой структуру, такая вот самоорганизация. Конечно, это работает не всегда, для сложных случаев имеются специальные помощники вроде белков шаперонов, но часто так случается. Проблема тут состоит в том, что обычно этот процесс протекает довольно долго и с невысокой производительностью, обусловленной, в частности, сильным разбавлением. Достоинство описанной выше работы состоит в резком (сто– или даже тысячекратном) увеличении скорости процесса и возможности получать большие количества восстановленного белка.