伊利諾伊大學(xué)香檳分校——科學(xué)家們通過(guò)將數據轉化為聲音，發(fā)現了氫鍵如何促成將一串氨基酸轉化為功能性折疊蛋白質(zhì)的快速旋轉過(guò)程。他們的研究報告發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》上，為蛋白質(zhì)從未展開(kāi)狀態(tài)到折疊狀態(tài)的氫鍵事件序列提供了前所未有的視角。

“蛋白質(zhì)必須正確折疊才能成為酶、信號分子，或者說(shuō)成為我們體內承擔的各種功能的一部分。”領(lǐng)導這項新研究的伊利諾伊大學(xué)香檳分?；瘜W(xué)教授馬丁·格魯貝勒說(shuō)，他與作曲家兼軟件開(kāi)發(fā)者卡拉·斯卡萊蒂共同領(lǐng)導了這項研究。

錯誤折疊的蛋白質(zhì)會(huì )導致阿爾茨海默病、帕金森病、囊性纖維化等疾病。為了更好地理解這一過(guò)程中出現問(wèn)題的原因，科學(xué)家們必須首先確定一串氨基酸在細胞水環(huán)境中如何形態(tài)轉變成最終形態(tài)。實(shí)際的轉變發(fā)生得非?？?，“在70納秒到2微秒之間”，格魯貝勒說(shuō)。

氫鍵是相對較弱的吸引力，將位于蛋白質(zhì)不同氨基酸上的原子排列在一起。折疊蛋白質(zhì)會(huì )在內部形成一系列氫鍵，并與周?chē)乃肿影l(fā)生作用。在這個(gè)過(guò)程中，蛋白質(zhì)會(huì )擺動(dòng)成無(wú)數潛在的中間構象，有時(shí)會(huì )陷入僵局并倒退，直到它碰巧找到另一條道路。

研究人員希望繪制蛋白質(zhì)折疊時(shí)發(fā)生的氫鍵的時(shí)間序列。但他們的可視化無(wú)法捕捉到這些復雜的事件。

“在從展開(kāi)狀態(tài)到折疊狀態(tài)的短暫過(guò)程中，會(huì )發(fā)生數以萬(wàn)計的這種與水分子的相互作用，”格魯貝勒說(shuō)。

因此，研究人員轉向了數據聲音化，這是一種將分子數據轉換為聲音的方法，以便他們能夠“聽(tīng)到”氫鍵的形成。為此，斯卡萊蒂編寫(xiě)了一個(gè)軟件程序，為每個(gè)氫鍵分配了一個(gè)獨特的音調。分子模擬生成了基本數據，顯示了兩個(gè)原子何時(shí)何地處于正確的空間位置，并且彼此足夠接近以形成氫鍵。如果形成了氫鍵的正確條件，軟件程序就會(huì )播放與該鍵對應的音調?？偟膩?lái)說(shuō)，該程序按順序跟蹤了數十萬(wàn)個(gè)單獨的氫鍵事件。

許多研究表明，人類(lèi)大腦處理音頻的速度大約是處理視覺(jué)數據的兩倍，人們更能夠檢測和記住一系列聲音的細微差異，而不是如果相同的序列以視覺(jué)形式呈現的話(huà)，斯卡萊蒂說(shuō)。

“在我們的聽(tīng)覺(jué)系統中，我們真的非常敏感于頻率的小差異，”她說(shuō)。“我們使用頻率和頻率的組合來(lái)理解語(yǔ)言，例如。”

蛋白質(zhì)大部分時(shí)間都處于折疊狀態(tài)，所以研究人員還設計了一個(gè)“稀有度”函數，以確定何時(shí)發(fā)生折疊或展開(kāi)的罕見(jiàn)瞬間。

結果產(chǎn)生的聲音讓他們對這一過(guò)程有了深入了解，揭示了一些氫鍵似乎加速了折疊，而其他一些則似乎減緩了折疊。他們對這些轉變進(jìn)行了表征，將最快的稱(chēng)為“高速公路”，最慢的稱(chēng)為“蜿蜒”，中間的稱(chēng)為“模糊”。

將水分子包含在模擬和氫鍵分析中對于理解這一過(guò)程至關(guān)重要，格魯貝勒說(shuō)。

“蛋白質(zhì)折疊反應的一半能量來(lái)自水而不是蛋白質(zhì)，”他說(shuō)。“通過(guò)聲音化，我們真正了解了水分子如何在蛋白質(zhì)上安定，并且如何幫助蛋白質(zhì)構象變化，最終使其折疊。”

格魯貝勒說(shuō)，雖然氫鍵不是導致蛋白質(zhì)折疊的唯一因素，但這些鍵經(jīng)常穩定從一個(gè)折疊狀態(tài)到另一個(gè)折疊狀態(tài)的過(guò)渡。其他氫鍵可能會(huì )暫時(shí)阻礙正確的折疊。例如，蛋白質(zhì)可能會(huì )在涉及一個(gè)或多個(gè)氫鍵形成、斷裂和再次形成的重復循環(huán)中陷入困境，直到最終從這個(gè)死胡同中逃脫，繼續向其最穩定的折疊狀態(tài)發(fā)展。

“與可視化不同，它看起來(lái)像是一團完全隨機的混亂，但當你聽(tīng)到這些時(shí)，你實(shí)際上會(huì )聽(tīng)到一些模式，”格魯貝勒說(shuō)。“這是不可能通過(guò)視覺(jué)來(lái)看到的東西，但通過(guò)聽(tīng)覺(jué)卻很容易理解。”

雜志：Proceedings of the National Academy of Sciences

DOI：10.1073/pnas.2319094121