醇和尿素被用作蛋白質變性劑，但其助溶劑作用的機制仍然是一個謎。通過計算模擬，日本的研究人員現在已經證明了這種差異是如何產生的——尿素與蛋白質的主鏈相互作用，而醇2,2,2-三氟乙醇與極性側鏈相互作用。因此，計算方法可以加快選擇用于調節(jié)蛋白質結構穩(wěn)定性的共溶劑。
當在體外(在其天然環(huán)境外)操縱蛋白質的展開和再折疊時，控制不穩(wěn)定過程是重要的。為此，尿素和酒精被用作共溶劑，少量的物質和水一起加入，以使蛋白質不穩(wěn)定和變性。尿素會干擾一種天然蛋白質，使其產生無序的螺旋狀結構，而酒精的干擾則會產生螺旋狀結構。對助溶劑作用機理的研究表明，蛋白質在天然狀態(tài)和變性狀態(tài)之間的穩(wěn)定性與助溶劑如何與每種狀態(tài)結合有關。助溶劑與蛋白質的天然或變性狀態(tài)的結合是由優(yōu)先結合參數(PBPs)控制的，即與蛋白質的特異性相互作用。不幸的是，在共溶劑存在下影響蛋白質穩(wěn)定性的分子機制尚不完全清楚。
但是，是否有可能精確地指出尿素和酒精等共溶劑與蛋白質相互作用的區(qū)別呢?來自日本的一組研究人員最近使用一種工具解決了這個問題，該工具解釋了助溶劑如何與蛋白質相互作用，并預測了蛋白質、水和助溶劑之間最重要的結合關系。“我們希望更深入地了解助溶劑如何在溶液中穩(wěn)定蛋白質的天然或變性狀態(tài)。因此，我們利用計算模擬來確定PBPs，并揭示尿素和2,2,2-三氟乙醇(TFE)如何誘導它們相反的共溶劑效應，”岡山大學跨學科科學研究所副教授、團隊負責人Tomonari Sumi說。此外，岡山大學的Noa Nakata女士和Kenichiro Koga博士、兵庫大學的Ryuichi Okamoto博士、千葉大學的Takeshi Morita博士和永濱生物科學與技術研究所的Hiroshi Imamura博士參與了這項研究，并作為共同作者在2023年8月25日發(fā)表在《蛋白質科學》上的這項研究。
該團隊研究了酵母蛋白GCN4-p1的天然狀態(tài)和變性狀態(tài)之間的助溶劑依賴性穩(wěn)定性，GCN4-p1具有由線圈和螺旋組成的明確的天然結構。這使得它非常適合使用分子動力學模擬來研究TFE在水中的螺旋穩(wěn)定性和尿素的線圈穩(wěn)定性，分子動力學模擬是一種預測蛋白質中原子在給定時間內運動的計算方法。
“我們能夠預測兩種共溶劑的合適的超額優(yōu)先結合(EPB)。首先，TFE與GCN4-p1螺旋側鏈之間的靜電相互作用產生EPB，使螺旋穩(wěn)定。其次，尿素和GCN4-p1主鏈線圈之間的分散和靜電相互作用有助于EPB，穩(wěn)定線圈，”Sumi博士解釋說。
此外，該小組的模擬數據與TFE和尿素的螺旋和線圈穩(wěn)定實驗數據相吻合。通過這種方式，研究小組證明了這些相互作用產生了相反的共溶劑效應。在蛋白質-助溶劑-水的三角關系中，TFE的羥基被吸引到蛋白質的極性側鏈上，而尿素優(yōu)先結合到蛋白質的肽主鏈上。這是一個重要的發(fā)現，因為人們可以有效地預測助溶劑可能引起的潛在結構變化。
該團隊對他們的研究的廣泛影響感到興奮，因為它通過利用計算資源解決了共溶劑篩選的問題。“我們相信這些發(fā)現將為整個工業(yè)和醫(yī)學的蛋白質穩(wěn)定帶來成果。本研究中應用的分析方法大大減少了了解共溶劑如何影響蛋白質結構穩(wěn)定性所需的時間。這可以幫助我們繞過涉及耗時的自由能計算的更傳統的方法，”Sumi博士總結道。
作為日本的頂尖大學之一，岡山大學旨在為世界的可持續(xù)發(fā)展創(chuàng)造和建立新的范例。岡山大學提供廣泛的學術領域，成為綜合研究生院的基礎。這不僅使我們能夠進行最先進和最新的研究，而且還提供了豐富的教育經驗。
Sumi Tomonari博士于1999年在日本九州大學獲得博士學位。他目前是日本岡山大學跨學科科學研究所的副教授。Sumi博士的研究領域包括生命科學、生物物理學、基礎物理化學和生物信息學。
（文章來源：www.ebiotrade.com/newsf/2023-10） | 
