Физики научились механически контролировать химические реакции

Химические реакции в клетке катализируются белками-ферментами. Каждый белок катализирует определенную реакцию. В ходе реакции две молекулы сталкиваются и обмениваются атомами. Фермент – третий участник реакции, своего рода ее «повивальная бабка».

Профессор физики UCLA Джованни Цокки (Giovanni Zocchi). (Credit: Reed Hutchinson/UCLA)

Но чтобы реакция произошла, молекулы должны сталкиваться определенным образом. Фермент связывает молекулы и заставляет их взаимодействовать «правильно», так, что вероятность обмена атомами становится намного выше.

«Вместо того чтобы просто наблюдать за тем, что делают молекулы, мы можем подтолкнуть их к действию механически», - говорит главный автор исследования профессор физики UCLA Джованни Цокки (Giovanni Zocchi)

Для этого Цокки и его аспиранты Чао-Ю Цзен (Chiao-Yu Tseng) и Эндрю Ван (Andrew Wang) присоединили к ферменту управляемую молекулярную пружину из ДНК. Пружина примерно в 10000 раз меньше, чем диаметр человеческого волоса. Они механически включали и выключали фермент и таким образом контролировали скорость реакции. В своем последнем исследовании ученые присоединили молекулярную пружину к ферменту в трех различных местах и смогли механически влиять на определенные стадии реакции.

Результаты работы опубликовали в журнале Europhysics Letters, издании Европейского физического общества (European Physical Society).

«Мы подвергли фермент внешнему воздействию разными способами», - говорит Цокки. «Мы можем измерить влияние на химическую реакцию разных способов внешнего воздействия на молекулу фермента. Такое воздействие, приложенное к молекуле в разных местах, вызывает разные ответы. Если присоединить молекулярную пружину в одном месте, то с химической реакцией ничего особенного не произойдет, но если присоединить ее в другом месте, вы повлияете на одну из стадий химической реакции. Присоединение молекулы в третьем месте влияет на другую ее стадию» - объясняет Цокки.

Цокки, Цзен и Ван изучили скорость химических реакций и подробно описали, что происходит с различными стадиями реакции, если механическая сила прикладывается к ферменту в разных местах.

«Стоя на плечах пятидесятилетних исследований структуры белков, мы, помимо структурного описания, наблюдали за динамикой, в частности, за тем, какие силы – и где приложенные – оказывают то или иное влияние на скорость реакции», - говорит Цокки.

Решая эту давнюю физическую загадку, Цокки и его коллеги пришли к удивительному заключению.

Если попытаться согнуть прямую ветку дерева или прямой стержень, то сначала они не сгибаются и остаются прямыми до тех пор, пока не превышена определенная критическая сила. При приложении критической силы они не сгибаются понемногу, а быстро деформируются и сильно изгибаются.

«Это явление хорошо известно каждому ребенку, который когда-либо делал лук из ветвей орешника. Чтобы сделать лук, то есть деформировать ветку, вам нужно приложить достаточную силу, но вам потребуется уже гораздо меньшая сила, чтобы удержать ветку в этом состоянии, если она согнулась», - объясняет Цокки.

Физики UCLA изучили энергию упругой деформации их молекулярной ДНК-пружины в момент ее резкого изгиба.

«Такая короткая двухцепочечная молекула ДНК несколько похожа на ветку, но упругость ДНК в таком масштабе не была известна», - говорит Цокки. «Какова сила, с которой молекулярная пружина ДНК оказывает воздействие на фермент? Мы ответили на этот вопрос».

«При изгибе молекулы существует критическая сила, по обе стороны от значения которой наблюдаются качественные различия. В этом отношении молекула напоминает ветку дерева. Если вы немного ниже критического порога, система ведет себя одним образом, если немного выше – ее поведение меняется кардинально. Нашим достижением было непосредственное измерение энергии упругой деформации молекулы, к которой приложена внешняя сила, и возможность, исходя из этой энергии, охарактеризовать ее изгиб».

Профессор кафедры физики Университета Калифорнии - Лос-Анджелес Джованни Цокки (GiovanniZocchi) (справа) со своим аспирантом Хао Цюй (Hao Qu). (Credit: Reed Hutchinson/UCLA)

Соавторами исследования Цокки являются физики-аспиранты UCLA Хао Цюй (Hao Qu), Чао-Ю Цзэн (Chiao-Yu Tseng) и Юн Ван (Yong Wang), а также адъюнкт-профессор кафедры химии и биохимии Александр Левин (Alexander Levine), научный сотрудник Калифорнийского Института наносистем (California NanoSystems Institute) UCLA. Исследование также опубликовано в журнале Europhysics Letters.

«Я вижу красоту в этом важном явлении. Как возможно, что один и тот же принцип относится и к ветке дерева, и к молекуле? Тем не менее, это так. Суть физики заключается в том, чтобы находить общие свойства в системах, которые кажутся совершенно разными» - комментирует свое исследование Цокки

Хотя эта работа может найти применение в медицине и других областях, Цокки подчеркивает значение прогресса в знании как такового.

«Значение науки заключается в расширении нашего знания. Она помогает нам понять наш мир, вне зависимости от ценности для будущего использования», - говорит исследователь. «Я изучаю проблемы, которые мне интересны, где, я думаю, могу внести свой вклад. Почему изучение именно этой проблемы, а не какой-нибудь другой? Возможно, по той же причине, по какой художник выбирает определенный пейзаж. Может быть, мы видим в них красоту».

Источник