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科学家开发折叠分子的拓扑条形码

莱顿药物研究学术中心的Alireza Mashaghi小组找到了一种确定和分类蛋白质形状的方法。他们的新理论将蛋白质的拓扑结构定义为简单而精确的条形码,可以识别所有类型的折叠。该条形码使人们能够对由错误折叠的蛋白质引起的疾病进行更深入的研究,例如神经肌肉疾病和某些癌症。

绑结

马沙吉说:“我们都熟悉将绳子打成结。” “就像那样,我们细胞中的分子链被折叠成蛋白质和基因。我们的目标是找到一种以数学方式描述这些结的方法,以描述蛋白质的拓扑结构(请参见下面的文本框)。” 大约半个世纪前,诺贝尔奖获得者莱纳斯·鲍林(Linus Pauling)预测,有一天,人们将清楚地认识到,生物分子的这种拓扑结构在决定生理特性方面与分子的化学结构一样重要。他还预言,这种见识将导致生物学和医学领域的巨大进步。

自1833年以来,数学家就一直在研究结节背后的数学。从那时起,“结节理论 ”领域已成为最重要的数学领域之一,在物理学和化学领域有许多应用。但是,尽管数学家能够研究和分类诸如绳索之类的链条,但是他们的理论仍无法解释蛋白质的拓扑结构。“甚至还没有一个定义,”马沙吉补充说。

粘性和解开结

尽管如此,科学家还是非常精确地研究和描述了折叠分子的几何形状。诸如晶体学方法和光谱学的发明之类的科学进步使得有可能将其作为每个原子的确切位置或蛋白质链的弯曲曲率进行测量。但是拓扑是另一回事。Alireza为此提供了两个主要原因。“首先,与绳索不同,蛋白质具有粘性。这会在蛋白质链中的某些点之间建立连接。其次,如果我们像缠绕在一起的绳索一样握住并拉扯蛋白质的两端,则蛋白质将解开,并在97个以上案件%,不结就会离开了。根据传统的结从理论上讲,这意味着我们体内所有这些具有不同功能的蛋白质都具有相同的拓扑结构:它们与未打结的绳索相同。这意味着传统的打结理论对97%的蛋白质的拓扑特征是看不见的!”

蛋白质指纹

自鲍林(Pau​​ling)的预测以来的半个世纪,玛莎吉(Mashaghi)和他的团队终于能够解决这个问题。他们提出了一种新的创新理论,称为电路拓扑。该理论不仅使确定和分类大多数蛋白质的形状成为可能,而且还可以比较它们的不同形状。这样,可以将折叠正确的蛋白质与折叠不良的蛋白质进行比较,或者可以跨蛋白质的进化路径比较蛋白质。“我们将蛋白质的拓扑结构定义为一种简单而精确的条形码,可以识别所有类型的折叠,” Alireza说。“因此,我们希望将其称为蛋白质'指纹'。”

了解进化与疾病

拓扑条形码使跟踪蛋白质的进化变化和发现蛋白质的工程机制成为可能。此外,蛋白质条形码可用于制药和工业应用的合成蛋白质工程。

Mashaghi:“新理论将为蛋白质物理学,蛋白质工程,进化研究乃至基因组生物学等领域开辟新的研究途径。尤其是在神经肌肉疾病以及某些癌症(包括乳腺癌和前列腺癌)中,蛋白质错误折叠尤其常见。拓扑学研究可能会彻底改变对疾病机制的理解并找到新的治疗方法。”

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