על ידי המרת הנתונים שלהם לצלילים, מדענים גילו כיצד קשרי מימן תורמים לתנועות מהירות הבזק שהופכות מחרוזת של חומצות אמינו לחלבון פונקציונלי ומקופל. הדו"ח שלהם, ב- הליכים של האקדמיה הלאומית למדעים, מציע תצוגה חסרת תקדים של רצף אירועי קשרי מימן המתרחשים כאשר חלבון עובר ממצב לא מקופל למצב מקופל.
"חלבון חייב להתקפל כראוי כדי להפוך לאנזים או למולקולת איתות או מה שתפקידו לא יהיה -; כל הדברים הרבים שחלבונים עושים בגופנו", אמר פרופסור לכימיה באוניברסיטת אילינוי, אורבנה-שמפיין, מרטין גרובל, שהוביל את המחקר החדש. עם המלחינה ומפתחת התוכנה קרלה סקאלטי.
חלבונים שגויים תורמים למחלת אלצהיימר, מחלת פרקינסון, סיסטיק פיברוזיס והפרעות אחרות. כדי להבין טוב יותר כיצד תהליך זה משתבש, על המדענים לקבוע תחילה כיצד מחרוזת של חומצות אמינו עוברת צורה לצורתה הסופית בסביבה המימית של התא. הטרנספורמציות בפועל מתרחשות מהר מאוד, "אי שם בין 70 ננו-שניות לשתי מיקרו-שניות", אמר גרובל.
קשרי מימן הם אטרקציות חלשות יחסית המיישרות אטומים הממוקמים על חומצות אמינו שונות בחלבון. חלבון מתקפל יצור סדרה של קשרי מימן באופן פנימי ועם מולקולות המים המקיפות אותו. בתהליך, החלבון מתנועע לאינספור קונפורמציות ביניים פוטנציאליות, לפעמים פוגע במבוי סתום וחוזר לאחור עד שהוא נקלע לנתיב אחר.
החוקרים רצו למפות את רצף הזמן של קשרי מימן המתרחשים עם קיפול החלבון. אבל ההדמיה שלהם לא הצליחה ללכוד את האירועים המורכבים האלה.
יש ממש עשרות אלפי אינטראקציות אלה עם מולקולות מים במהלך המעבר הקצר בין המצב הפרוש למקופל".
מרטין גרובל, פרופסור לכימיה, אוניברסיטת אילינוי אורבנה-שמפיין
אז החוקרים פנו לסוניפיקציה של נתונים, שיטה להמרת הנתונים המולקולריים שלהם לצלילים כדי שהם יוכלו "לשמוע" את קשרי המימן שנוצרים. כדי להשיג זאת, Scaletti כתב תוכנה שהקצה לכל קשר מימן גובה ייחודי. הדמיות מולקולריות יצרו את הנתונים החיוניים, המראים היכן ומתי שני אטומים נמצאים במיקום הנכון בחלל -; וקרובים מספיק זה לזה -; לקשר מימן. אם התרחשו התנאים הנכונים לחיבור, התוכנה שיחקה גובה התואם לאותו קשר. בסך הכל, התוכנית עקבה אחר מאות אלפי אירועים בודדים של קשרי מימן ברצף.
מחקרים רבים מצביעים על כך שאודיו מעובד בערך פי שניים מהר יותר מנתונים חזותיים במוח האנושי, ובני אדם מסוגלים לזהות ולזכור הבדלים עדינים ברצף של צלילים טוב יותר מאשר אם אותו רצף מיוצג חזותית, אמר סקאלטי.
"במערכת השמיעה שלנו, אנחנו באמת מאוד מכוונים להבדלים קטנים בתדירות", אמרה. "אנחנו משתמשים בתדרים ובשילובים של תדרים כדי להבין דיבור, למשל."
חלבון מבלה את רוב זמנו במצב מקופל, כך שהחוקרים גם הגיעו לפונקציית "נדירות" כדי לזהות מתי התרחשו רגעי הקיפול או ההתקפלות הנדירים והחולפים.
הצלילים שהתקבלו נתנו להם תובנה לגבי התהליך, וחשפו כיצד חלק מקשרי מימן מזרזים את הקיפול בעוד שאחרים נראים מאטים אותו. הם אפיינו את המעברים הללו, וכינו את הכביש המהיר ביותר "הכביש המהיר", האיטי ביותר "המתפתל" ואת הביניים שבהם "דו-משמעי".
הכללת מולקולות המים בסימולציות וניתוח קשרי מימן היה חיוני להבנת התהליך, אמר Gruebele.
"מחצית מהאנרגיה מתגובת קיפול חלבון מגיעה מהמים ולא מהחלבון", אמר. "למדנו באמת על ידי ביצוע סוניפיקציה כיצד מולקולות מים מתייצבות במקום הנכון על החלבון וכיצד הן עוזרות למבנה החלבון לשנות כך שהוא סוף סוף מתקפל."
בעוד שקשרי מימן אינם הגורם היחיד התורם לקיפול חלבון, קשרים אלה מייצבים לעתים קרובות מעבר ממצב מקופל אחד למשנהו, אמר Gruebele. קשרי מימן אחרים עלולים לעכב באופן זמני קיפול תקין. לדוגמה, חלבון עשוי להיתקע בלולאה חוזרת הכוללת קשר מימן אחד או יותר שנוצר, נשבר ויוצר שוב -; עד שהחלבון בסופו של דבר בורח מהרחוב ללא מוצא זה כדי להמשיך את מסעו למצב המקופל היציב ביותר שלו.
"בניגוד להדמיה, שנראית כמו בלגן אקראי מוחלט, אתה למעשה שומע דפוסים כשאתה מאזין לזה", אמר גרובל. "זה החומר שאי אפשר היה לדמיין אבל זה קל לשמוע."
הקרן הלאומית למדע, המכונים הלאומיים לבריאות ותאגיד סאונד סימבולי תמכו במחקר זה.
Gruebele הוא גם פרופסור במכון בקמן למדע וטכנולוגיה מתקדמת ושותפה של מכון Carl R. Woese לביולוגיה גנומית באוניברסיטת I.
