Странная сушка обратила белки в жидкость и стекло

На пересечении биологии, химии и физики произошли открытия, способные привести к появлению новых лекарственных препаратов и медицинских средств. Может через несколько лет словосочетания стеклянный белок или жидкий белок не будут вызывать удивление, но пока удивляются даже специалисты, узнавая необычные свойства давно, казалось бы, изученных веществ.

Концентрированный жидкий белок, переносящий кислород, может стать основой медицинских материалов нового поколения. Так считают его создатели из университета Бристоля (University of Bristol) и исследовательского института коллоидов и поверхностных явлений Макса Планка (Max-Planck-Institut f?r Kolloid- und Grenzfl?chenforschung).

Учёные экспериментировали с миоглобином — связывающим кислород белком мышц. Исследователи сумели снабдить молекулы этого белка добавками в виде определённых поверхностно-активных соединений, после чего при низкой температуре удалили всю воду из раствора, проведя сублимационную сушку.

Как гласит пресс-релиз университета, при нагревании до комнатной температуры полученный таким способом порошок расплавился и превратился в вязкую жидкость.

Миоглобин ответственен за накопление кислорода в мышцах (скелетных, сердца) и передачу его окислительным системам клеток.
Как и в случае с транспортирующим кислород в крови гемоглобином, особенности миоглобина важны для эффективного дыхания всего организма. Известно, к примеру, что у китов и тюленей содержание миоглобина в мышечной ткани выше, чем у сухопутных млекопитающих, и это отчасти объясняет рекордные погружения данных животных (иллюстрация с сайта wikipedia.org).

Самое неожиданное: анализ показал, что в такой версии миоглобин сохранил свою форму и структуру практически нетронутыми. А ведь раньше считалось, что при сильном обезвоживании смеси происходит денатурация белков — потеря ими естественной геометрии и свойств.

Однако жидкий миоглобин сохранил способность к обратимому связыванию кислорода в физиологических условиях (детали раскрывает статья в Nature Chemistry). Это противоречит предыдущим представлениям, согласно которым для правильной работы белков в организме необходимо присутствие молекул воды. А значит, в структурную биологию следует внести поправки.

Авторы работы отмечают, что ранее никто не создавал жидкую форму металлопротеина без использования не только воды, но даже вообще любого иного растворителя, тем более — с сохранением биологически-активных свойств исходного соединения.

Компьютерное изображение миоглобина до обработки (слева) и его версии, укутанной полимером-суфрактантом (справа). Внизу: капля жидкого белка (иллюстрация Adam W. Perriman et al./Nature Chemistry).

Новая форма белка, по мнению британских и немецких учёных, может выступать в роли своего рода концентрата искусственной крови (хотя и "упрощённой формы" — уточняют специалисты). При разведении такого концентрата получится состав для транспортировки кислорода. Правда, нужно учесть, что в естественном случае в крови, напротив, не должно быть миоглобина, это опасно для организма и является признаком травмы или заболевания.

С другой стороны, новое исследование дало на выходе не синтетическую кровь, а только новый подход к её созданию. А ещё жидкий миоглобин может выступить в роли начинки для перспективных перевязочных материалов и плёночных покрытий для ран, способных улучшать снабжение повреждённых тканей кислородом.

Такие перспективы вырисовываются при переводе белка в не совсем природное состояние. Любопытно, что похожий принцип использовали исследователи из университета Дюка (Duke University), когда создали ещё одну необычную форму белка — стеклянную.

Авторы работы растворили белки в крошечной капле воды, а затем добавили небольшую порцию деканола. Большая часть молекул H₂O из исходного образца оказалась растворена в деканоле, при этом горстка белков была почти полностью "очищена" от воды (деканол играл роль осушительной помпы). Учёные ожидали, что белки кристаллизуются, но вместо этого они сформировали твёрдое тело с аморфной структурой — своего рода белок-стекло (об опыте рассказывает статья в Biophysical Journal).

Произошло это из-за быстрого темпа потери влаги (весь процесс занимал считанные минуты, а иногда — секунды), так что белковые молекулы в концентрированном растворе просто не успевали перераспределиться для создания кристаллической решётки.

С помощью этой установки учёные из Бристоля проверяли взаимодействие белка и кислорода при разных условиях (фото Adam W. Perriman et al./Nature Chemistry).

Учёные поэкспериментировали с несколькими видами белков, установив, что, по меньшей мере, четыре из них переходят в твёрдую аморфную фазу без повреждений и после добавления воды вновь обретают все или почти все свои биологические свойства.

Вообще-то белковое стекло из Дюка — это чрезвычайно вязкая жидкость, способная течь на больших временных отрезках. Но для применения находки важно, что получаемые белковые микросферы (одна из них показана на фото под заголовком) — практически твёрдые тела.

Они могут предоставить биологам и медикам сразу несколько выгод. Такая форма белка интересна для изучения свойств протеинов. А остающейся в составе микросферы воды недостаточно для поддержания жизни микроорганизмов, так что в стеклянной форме белок может храниться долго и безопасно.

Такие шарики можно использовать как высококонцентрированный медицинский препарат, не забивающий канал иглы. В частности определённые белковые молекулы в такой форме можно филигранно вводить в опухоли. Для коммерциализации своей разработки учёные создали компанию Biogyali.

Все эти эксперименты стали возможными после открытия практически той же группой учёных из Дюка неизвестных ранее тонкостей взаимодействия воды и некоторых видов алканов и спиртов в малом масштабе (микропузырьках, микропипетках) — о чём повествует статья в Journal of Chemical Physics. Тот же деканол практически не растворяется в воде, а последняя не может даже смешиваться с ним в большом количестве, но при определённых условиях, оказывается, вода сама охотно растворяется в деканоле.

Первоначально учёные ставили опыты с концентрированными водными растворами солей, но однажды подумали – почему бы не проделать такой же трюк с белками? Так и вышло, что знания, полученные в одной дисциплине оказались ключом к изобретению в совсем другой области.