Dlaczego białko ma taki kształt?

Życie opiera się na reakcjach chemicznych między cząsteczkami, a reakcje te zależą od kształtu cząsteczek. Stwierdzenie to przedstawia jedną z najgłębszych prawd o istocie życia, jakie znamy.

Weźmy za przykład łączenie się dwóch dużych cząsteczek. Wiązania mogą się tworzyć jedynie pomiędzy pojedynczymi atomami. Wyobraźmy więc sobie atomy mogące tworzyć wiązania jako małe skrawki rzepu na wielkiej poskręcanej kuli. Aby nastąpiło połączenie, cząsteczki muszą się spotkać w taki sposób, by skrawki rzepu znalazły się blisko siebie. Szansa takiego zdarzenia przy spotkaniach losowych jest dość mała, stąd reakcje chemiczne w komórkach zależą od obecności cząsteczki trzeciego rodzaju, zwanej enzymem. Enzym przyłącza się do każdej z cząsteczek biorących udział w reakcji, zapewniając znalezienie się rzepu każdej z nich w odpowiednim położeniu i umożliwiając zachodzenie reakcji. Sam enzym nie bierze udziału w procesie. Można go więc przedstawić jako pośrednika, który doprowadza do spotkania kupującego ze sprzedającym, lecz sam niczego nie kupuje ani nie sprzedaje.

Enzymy w naszych komórkach są białkami, długimi łańcuchami utworzonymi z mniejszych cząsteczek zwanych aminokwasami. Aminokwasy łączą się liniowo, są jak paciorki na sznurku, a powstające białko zwija się następnie w skomplikowany kształt. Ponieważ jest bardzo dużo możliwych kombinacji „paciorków”, końcowy zespół może mieć wiele różnych kształtów, co sprawia, że białka idealnie nadają się do roli enzymów.

Komórki funkcjonują mniej więcej tak: DNA w jądrze zawiera kody decydujące o porządku paciorków aminokwasów, wchodzących w skład białek. Odcinek DNA zawierający plan jednego białka nazywany jest genem. Każdy gen koduje jedno białko, a każde białko działa jako enzym w jednej reakcji chemicznej. W określonej komórce w każdej chwili może działać kilka tysięcy genów.

Wiedza ta, w połączeniu z naszymi umiejętnościami wytwarzania genów i wszczepiania ich bakteriom, otwiera pasjonujące możliwości. Jeśli znamy reakcję chemiczną, jaką chcemy pokierować, możemy obliczyć kształt enzymu potrzebnego do jej przeprowadzenia. Jeżeli wiemy, w jaki sposób określona sekwencja aminokwasów zwinęła się w ostateczny kształt białka, możemy zaprojektować gen produkujący tę sekwencję, umieścić go w jakiejś bakterii i sporządzić białko.

W tym wszystkim tkwi jednak problem, który trapił biochemików przez ostatnie czterdzieści lat. Nawet jeśli znamy porządek aminokwasów w białku – kolejność paciorków na sznurku – po prostu nie wiemy, jak przewidzieć końcowy kształt białka. Rozwiązanie tego problemu, znanego jako „problem struktury trzeciorzędowej białka”, pozostaje niepokojąco poza zasięgiem współczesnej nauki.

Powód tej luki w naszym zrozumieniu jest prosty: w pojedynczym białku mogą znajdować się setki tysięcy atomów i nawet najlepsze komputery nie są dość dobre, aby śledzić wszystko, co się dzieje podczas zwijania się łańcucha.

Obecnie prowadzi się badania w dwóch kierunkach. Pierwszy dotyczy doświadczeń, których celem jest wyszczególnienie stanów pośrednich w procesie wyginania, czyli konformacji. Na przykład długi łańcuch mógłby najpierw skręcić się w korkociąg, potem niektóre jego segmenty składałyby się na pół, a następnie całość zwijała w ostateczny kształt. Znając te stany pośrednie, moglibyśmy proces wyginania podzielić na kilka prostszych etapów. Jedna z trudności przy takim podejściu polega na tym, że aby dojść do określonego stanu końcowego, białka najwyraźniej mogą stosować wiele różnych sekwencji wygięć.

Inni naukowcy starają się stosować sprytne techniki komputerowe, aby przewidzieć, jaki końcowy kształt przybierze sznur aminokwasów – techniki nie wymagające śledzenia każdego atomu podczas procesu wyginania. Na przykład programy komputerowe mogą szacować stan energetyczny różnych układów końcowych. Ponieważ w przyrodzie układy dążą do stanów o najniższej energii, przewidzenie takiego układu oznacza znalezienie ostatecznego kształtu cząsteczki. Problem: może być wiele stanów o niskiej energii i wówczas trudne staje się przewidzenie, który przyjmie cząsteczka.

Innego rodzaju podejście do komputerowego rozwiązania problemu wprowadza techniki sztucznej inteligencji. Dane o znanych wzorach wygięcia sznurów aminokwasów zostają wprowadzone do komputera, który odgaduje wzór wygięcia dla nowej cząsteczki, opierając się na analogiach do znanych białek. Problem: nigdy nie można być pewnym, że zgadło się prawidłowo.

Jakakolwiek technika doprowadzi do rozwiązania problemu zwijania się białek, jedno jest oczywiste – gdy się to wreszcie uda, wyeliminujemy główną przeszkodę na drodze do wytwarzania dowolnej cząsteczki, jaką zechcemy.