C помощью вычислительных методов, разработанных Институтом математических проблем биологии РАН, удалось расшифровать структуру необычной сигнальной системы анаммокс-бактерий. Эти бактерии играют ключевую роль в круговороте азота на Земле.

Анаммокс-бактерии были открыты в самом конце XX века и быстро нашли применение для промышленной очистки сточных вод от азотного загрязнения. Оно представляет серьёзную проблему из-за повсеместно и в изобилии применяемых в сельском хозяйстве азотных удобрений.

Выяснилось, что анаммокс-бактерии поглощают ионы аммония и нитрита, превращая их в воду и молекулярный азот, являющийся основным компонентом земной атмосферы. Причём они не прекращают это делать даже при очень низкой концентрации аммония! Вдобавок процесс преобразования происходит в бескислородной среде, то есть без расхода кислорода!

Бактерия лишена органов чувств. Каким образом она находит аммоний в окружающей среде? Чёткая передача сигнала через внешнюю оболочку клетки — один из важнейших вопросов современной биологии. Понимая механизмы передачи сигнала, можно научиться управлять такими бактериями!

Соответственно, учёных заинтересовал необычный белок, обнаруженный в одном из видов анаммокс-бактерий. Последовательность аминокислот этого белка содержала необычную комбинацию двух разнотипных частей.

Первая часть оказалась похожа на структуру трансмембранных белков, которые пронизывают клеточную мембрану насквозь и передают внутрь клетки ионы аммония. Вторая часть напоминает белки гистидин-киназы - они часто присутствуют в системах передачи сигнала из наружной среды внутрь клетки. Передача сигнала представляет собой цепь последовательных биохимических реакций. У этой молекулы поступление сигнала происходит фосфорилированием гистидина, то есть путём присоединения к боковой цепи гистидина остатка фосфорной кислоты.

В результате исследователи выдвинули гипотезу, что обнаруженный двухкомпонентный белок и является средством передачи внутрь клетки сигнала о наличии аммония во внеклеточной среде.

Учёные установили, что первая, трансмембранная часть белка бактерии не несёт транспортных функций. Она не передаёт аммоний внутрь клетки, а сама соединяется с ним. На языке биологов у неё появляются «центры связывания высокой чувствительности». Соединение с аммонием в этих центрах приводит к изменению конфигурации белка в пространстве. Проще говоря, он начинает двигаться. Это изменение передаётся на гибко сочлененную с трансмембранной частью киназную часть и приводит к биохимической реакции - фосфорилированию аминокислотного остатка гистидина. А эта реакция и есть сигнал о наличии во внешней среде аммония!

Пространственную структуру белков устанавливают путём рассеяния рентгеновских лучей на молекулах исследуемого белка. Наиболее детальную информацию удаётся получить, если белок кристаллизовать, то есть уложить множество его молекул в кристаллическую решётку. Это приводит к радикальному усилению рассеянных лучей и более чёткой картинке. Однако при работе с исследуемым белком получение высококачественных кристаллов существенно усложняло наличие гибкой двухкомпонентной системы. Внутренняя гибкость этого модульного белка оказалась серьёзным препятствием для определения его структуры! В итоге его полную структуру удалось определить, лишь применив специальные математические подходы, разработанные в ИМПБ РАН для исследования структур плохо упорядоченных кристаллов.

«Полученные кристаллы белка не позволяли определить структуру киназной части системы стандартными методами биологической кристаллографии. Поэтому мы применили математические методы, которые позволили распознать структуру и пространственную конфигурацию белка», - подвёл итог этой работе заведующий лабораторией Кристаллографии макромолекул ИМПБ РАН Владимир Лунин. 

Исследование проводилось совместно с возглавляемой Сюзанной Андраде группой учёных из Университета Фрайбурга (Германия), а также с коллегами из Европейской молекулярно-биологической лаборатории в Гамбурге (Германия) и Университета Неймегена (Нидерланды).

Его ход и результаты опубликованы в журнале Nature Communications.