Под руководством U. я. профессор химии Чад Риенстра, команда опубликовала свои результаты в журнале Structure.
«Мы взяли процесс, который занял бы месяцы, и сократили его до часов», – сказал Джозеф Кортни, аспирант из Иллинойса и первый автор статьи. «Мы ожидаем, что это не только ускорит скорость изучения белков, но также повысит повторяемость и надежность результатов."
Белки выполняют функции внутри клетки, и эти функции определяются точными структурами белков – тем, как они складываются и скручиваются в замысловатую трехмерную форму.
"Многие заболевания вызваны белком, который действует неправильно или его слишком много. «Если вы можете понять, как выглядят белки, вы сможете изучить, как они работают, и вы сможете помочь в разработке лекарств и методов лечения этих заболеваний», – сказала Кортни. «Основное преимущество заключается в том, что если вы можете разработать лекарство, идеально подходящее для одного белка, это уменьшит побочные эффекты, поскольку он не будет взаимодействовать с другими молекулами."
Одним из ключевых методов определения доли белка является метод, называемый рентгеновской кристаллографией. Однако многие интересные с медицинской точки зрения белки, например фибриллы, характеризующие болезнь Паркинсона, не образуют кристаллов, поэтому исследователи обратились к более продвинутым спектроскопическим методам. Эти методы требуют от месяцев до лет интенсивного сбора и анализа данных, снятия многочисленных показаний и измерений спектра белка.
Команда из Иллинойса увидела возможность воспользоваться преимуществами последних достижений в алгоритмах предсказания структуры, вычислительных моделях, которые генерируют множество возможных способов сворачивания белка на основе его последовательности.
«Главный недостаток этих подходов к моделированию состоит в том, что они никогда не узнают, правы ли они», – сказал Риенстра. "Иметь модели – это здорово, но остается тысячи возможностей.
Нам нужны какие-то экспериментальные данные, чтобы определить, какой из них правильный."
Для COMPASS исследователи полагаются на измерение одного спектра с использованием спектроскопической техники, называемой ядерным магнитным резонансом, которая дает молекулярный «отпечаток пальца» – нет двух белковых структур с одинаковым спектром.
Платформа COMPASS рассматривает возможные структуры, генерируемые прогнозными моделями, проецирует спектр для каждой из них и использует передовое программное обеспечение распознавания изображений для сравнения каждого проецируемого спектра со спектром, полученным из экспериментального образца.
«Мы называем это КОМПАС, потому что мы используем магнитное поле, чтобы, надеюсь, указать нам в правильном направлении, какая структура белка является правильной из всех этих вариантов», – сказал Риенстра.
Исследователи сравнили результаты COMPASS для 15 белков со структурной информацией, определенной традиционными методами, и обнаружили, что COMPASS успешно определил структуры белков.
Исследователи надеются, что другие химики воспользуются методом КОМПАС.
Одно из преимуществ, по словам Риенстры, заключается в том, что химик не должен быть экспертом, чтобы использовать КОМПАС, поскольку результаты алгоритмов автоматические, объективные и повторяемые.
Группа Риенстры планирует использовать КОМПАС в биомедицинских приложениях, надеясь изучить белки, которые до сих пор ускользали от исследователей из-за структурной сложности и нехватки образцов.
«У нас уже есть сотрудники, которые присылают нам образцы для сравнения», – сказал Риенстра. «Мы работаем над сравнением образцов белка, взятого у пациентов с болезнью Паркинсона, с образцом, который мы изучаем в лаборатории, чтобы увидеть, остается ли он в их мозгу таким же, как когда мы делаем его в лаборатории. Это очень важный вопрос, на который нужно ответить.
Выборки очень маленькие, а сигналы слабые, но мы можем получить один спектр и посмотреть, совпадают ли структуры. Это было бы невозможно с традиционными подходами, потому что нам потребовались бы образцы мозга в сотни раз больше, а это просто невозможно сделать с человеческими пациентами."
«Обычное узкое место при сборе и анализе данных теперь полностью исчезло», – сказала Кортни. «То, что было бы целым дипломным проектом для аспиранта, теперь можно сократить до одного дня. По мере совершенствования алгоритмов прогнозирования COMPASS сможет воспользоваться этими достижениями, чтобы найти еще более сложные белковые структуры."