Белки и камни

Камни в почках, желчном и мочевом пузыре – извечная беда людей за сорок. Сейчас медицина применяет как инвазивные, так и эндоскопические, неоперативные, методы лечения, однако это тот случай, когда лучше предотвратить болезнь, чем вылечить ее. Вместе с тем механизм роста крупных неорганических образований в теле человека до сих пор точно не изучен.

Ученые получили изображения очень высокого разрешения (с точностью до молекулы), на которых видно, как пептиды располагаются на поверхностях неорганических материалов.

Это помогает понять, как биомолекулы контролируют рост кристаллов из малых молекул, вызывая ускорение, изменение или замедление их развития, то есть показывает механизм роста камней (неорганических материалов) в среде биологических молекул. Это открывает возможности новых подходов к лечению и профилактике камней в почках, печени и желчном пузыре с помощью биомолекул. Исследование опубликовано во вчерашнем выпуске Proceedings of the National Academy of Science.

Неорганические (минеральные) вещества играют важную роль в большей части живых организмов. Кости и зубы млекопитающих, защитные оболочки сложных клеток морских диатомей – примеры так называемой биоминерализации, явления, когда живые организмы строят свои структуры из неорганических материалов. Однако минералы оказывают и негативное влияние: именно из них состоят камни в почках и желчном пузыре, которые ведут к сильным болям, дисфункции органов и внутренним заболеваниям человека и других млекопитающих.

Понимание того, как организм регулирует и ограничивает рост неорганических образований, необходимо для разработки новых эффективных стратегий терапевтического лечения таких заболеваний. Но расшифровать процесс формирования организмом прочных и сложных структур из простых небольших молекул не так просто. Для его лучшего понимания ученые моделируют его в лабораторных условиях и наблюдают in vitro с помощью сложного оборудования, которое не «вживить» в человеческий организм.

Атомно-силовая микроскопия (АСМ) позволяет «видеть» и получать изображения слоев неорганического вещества толщиной в один атом (так называемых монослоев), взаимодействующих с фрагментами белков, соприкасающихся с этой поверхностью. Обычно регистрировать изображения биомолекул, слабо соединенных с поверхностью, сложно: молекула и поверхность находятся в динамическом равновесии, и в процессе съемки пептид «стряхивается» с нее. Однако группа ученых из университета Калифорнии усовершенствовала технологию АСМ, что позволило получить изображения процесса взаимодействия с точностью до одной молекулы и проследить динамику процесса взаимодействия пептида с каждым из растущих монослоев.

Эксперимент показал, что на первом этапе пептид прочно закреплен на поверхности и на это время он замедляет рост грани кристалла в месте прикрепления. Однако затем он неожиданно делает «прыжок» и закрепляется уже на следующем уровне растущей поверхности.

Кроме того, ученые обнаружили механизм, который позволяет биомолекулам закрепляться на поверхностях, обычно их отторгающих. Пептиды формируют между собой кластеры на одноименно заряженных поверхностях. В зависимости от условий эти кластеры либо замедляют, либо ускоряют рост кристалла.

На другой грани кристалла, к которой, как ожидалось, пептиды будут «крепиться» лучше, исследователи вообще не обнаружили биомолекул. Они появлялись только с замедлением роста грани. Выяснилось, что пептиды закрепляются на поверхности с помощью специфических взаимодействий, формирование которых занимает больше времени, чем обычная неспецифическая адгезия. По этой причине в случае, когда слои нарастают быстрее, чем образуются контакты, кристалл просто «сбрасывает» пептид при попытке связывания.

Однако когда ученые замедлили рост модельного кристалла, пептиды осели на поверхности так сильно, что ее рост полностью прекратился. Исследователи считают, что причина медленного, но высокоэффективного процесса специфического взаимодействия пептида с поверхностью лежит в природе пептидов. Эти биомолекулы представляют собой полиэлектролиты (полимеры, содержащие большое количество ионогенных групп). Такие вещества в растворе испытывают довольно длительные флуктуации перед достижением стабильной конфигурации на поверхности.

Ученые предполагают, что именно таков механизм защиты живых организмов от патологической минерализации.

Когда рост кристалла прерван, для его возобновления необходима очень высокая концентрация минерального вещества в среде, чтобы возобновить его.

По аналогии с таким действием могут работать и лекарственные препараты, способные предотвратить образование камней. Модифицированные электролиты, в которых заряд, размер частицы и ее способность отталкивать воду систематически варьируются, могут стать «ключами, педалями газа или тормоза» для кристаллизации.