Genom att omvandla sina data till ljud upptäckte forskarna hur vätebindningar bidrar till de blixtsnabba rörelser som förvandlar en sträng av aminosyror till ett funktionellt, veckat protein.
Deras rapport, som publiceras i Proceedings of the National Academy of Sciences, ger en helt ny bild av den sekvens av vätebindningshändelser som inträffar när ett protein övergår från ett ovikt till ett veckat tillstånd.
”Ett protein måste veckas ordentligt för att bli ett enzym eller en signalmolekyl eller vad dess funktion nu kan vara – alla de många saker som proteiner gör i våra kroppar”, säger Martin Gruebele, kemiprofessor vid University of Illinois Urbana-Champaign, som ledde den nya forskningen tillsammans med kompositören och programutvecklaren Carla Scaletti.
Felveckade proteiner bidrar till Alzheimers sjukdom, Parkinsons sjukdom, cystisk fibros och andra sjukdomar. För att bättre förstå hur denna process går snett måste forskarna först fastställa hur en sträng av aminosyror formskiftar till sin slutliga form i cellens vattniga miljö. De faktiska omvandlingarna sker mycket snabbt, ”någonstans mellan 70 nanosekunder och två mikrosekunder”, säger Gruebele.
Vätebindningar är relativt svaga attraktioner som sammanför atomer som sitter på olika aminosyror i proteinet. Ett protein som viker sig kommer att bilda en serie vätebindningar internt och med de vattenmolekyler som omger det. Under processen vrider sig proteinet in i otaliga potentiella mellanliggande konformationer, ibland hamnar det i en återvändsgränd och backar tillbaka tills det snubblar in på en annan väg.
Sonifiering av proteiner: Hårnål i en fälla
Forskarna ville kartlägga tidssekvensen för de vätebindningar som uppstår när proteinet veckas. Men deras visualiseringar kunde inte fånga dessa komplexa händelser.
”Det finns bokstavligen tiotusentals sådana interaktioner med vattenmolekyler under den korta övergången mellan det ovikta och det veckade tillståndet”, säger Gruebele.
Så forskarna vände sig till datasonifiering, en metod för att omvandla sina molekylära data till ljud så att de kunde ”höra” vätebindningarna bildas. För att åstadkomma detta skrev Scaletti en programvara som tilldelade varje vätebindning en unik tonhöjd. Molekylära simuleringar genererade de nödvändiga data som visade var och när två atomer befann sig i rätt position i rymden – och tillräckligt nära varandra – för att bilda vätebindningar.
Om rätt förutsättningar för bindning förelåg spelade programmet upp en tonhöjd som motsvarade bindningen. Sammantaget spårade programmet hundratusentals enskilda vätebindningshändelser i sekvens.
Använda ljud för att utforska vätebindningarnas dynamik under proteinveckning
Många studier tyder på att ljud behandlas ungefär dubbelt så snabbt som visuell data i den mänskliga hjärnan, och människor är bättre på att upptäcka och komma ihåg subtila skillnader i en ljudsekvens än om samma sekvens representeras visuellt, säger Scaletti.
”I vårt hörselsystem är vi väldigt lyhörda för små skillnader i frekvens”, säger hon. ”Vi använder frekvenser och kombinationer av frekvenser för att till exempel förstå tal.”
Ett protein tillbringar större delen av sin tid i veckat tillstånd, så forskarna kom också på en ”raritetsfunktion” för att identifiera när de sällsynta, flyktiga ögonblicken av veckande eller oveckande ägde rum.
De resulterande ljuden gav dem insikt i processen och avslöjade hur vissa vätebindningar verkar påskynda veckningen medan andra verkar bromsa den. De karakteriserade dessa övergångar och kallade den snabbaste för ”motorväg”, den långsammaste för ”meander” och de mellanliggande för ”tvetydiga”.
Att inkludera vattenmolekylerna i simuleringarna och analysen av vätebindningar var avgörande för att förstå processen, säger Gruebele.
”Hälften av energin från en proteinveckningsreaktion kommer från vattnet och inte från proteinet”, säger han. ”Vi lärde oss verkligen med hjälp av ultraljud hur vattenmolekylerna lägger sig på rätt plats på proteinet och hur de hjälper proteinkonformationen att förändras så att den till slut blir veckad.”
Även om vätebindningar inte är den enda faktor som bidrar till proteinveckning, stabiliserar dessa bindningar ofta en övergång från ett veckat tillstånd till ett annat, säger Gruebele. Andra vätebindningar kan tillfälligt hindra korrekt vikning. Ett protein kan till exempel fastna i en upprepad slinga som innebär att en eller flera vätebindningar bildas, bryts och bildas igen – tills proteinet så småningom tar sig ur denna återvändsgränd för att fortsätta sin resa till sitt mest stabila veckade tillstånd.
”Till skillnad från visualiseringen, som ser ut som en total slumpmässig röra, hör man faktiskt mönster när man lyssnar på det här”, säger Gruebele. ”Det här är sådant som var omöjligt att visualisera, men som är lätt att höra.”
Ytterligare information: Scaletti, Carla et al, Hydrogen bonding heterogeneity correlates with protein folding transition state passage time as revealed by data sonification, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI: 10.1073/pnas.2319094121. doi.org/10.1073/pnas.2319094121
