Белки незаметно захватывают нашу жизнь с начала пандемии COVID-19. Ритм жизни всего мира подчиняется прихоти так называемого "шипового" белка вируса, который мутировал десятки раз, создавая все более смертоносные варианты. Но правда в том, что нами всегда правили белки. На клеточном уровне они несут ответственность практически за все.
Белки настолько важны, что ДНК — генетический материал, делающий каждого из нас уникальным — по сути, представляет собой длинную последовательность белковых схем. Это верно для животных, растений, грибов, бактерий, архей и даже вирусов. И так же, как эти группы организмов развиваются и изменяются с течением времени, то же самое происходит с белками и их составными частями.
Новое исследование ученых из Университета Иллинойса, опубликованное в Scientific Reports, отображает историю эволюции и взаимосвязи белковых доменов, субъединиц белковых молекул, за 3,8 миллиарда лет.
Знание того, как и почему домены объединяются в белки в процессе эволюции, может помочь ученым понять и спроектировать активность белков для приложений медицины и биоинженерии. Например, эти идеи могут помочь в управлении заболеваниями, например в создании более эффективных вакцин из шипованного белка вирусов COVID-19.
Многие ученые изучали эволюцию мутаций COVID с ранних стадий пандемии, для определения его поведения и предсказания мутаций. Но этот временной отрезок миешон в сравнении с тем объемом данных, котоыре смогли получить в свое распоряжение авторы работы.
Исследователи собрали структуры миллионов последовательностей белков, закодированных в сотнях геномов всех таксономических групп, включая высшие организмы и микробы. Они сосредоточились не на целых белках, а на структурных доменах. Большинство белков состоит из более чем одного домена. Это компактные структурные единицы или модули, которые несут в себе специализированные функции. Что еще более важно, они - единицы эволюции.
После сортировки белков по доменам для построения эволюционных деревьев они приступили к работе по созданию сети, чтобы понять, как домены развивались и распределялись между белками на протяжении миллиардов лет эволюции. В процессе работы удалось установить, что существует обширная развивающаяся сеть, описывающая, как домены сочетаются друг с другом в белках.
Анализ показал, что домены начали объединяться на ранней стадии эволюции белка, но были также периоды взрывного роста сети. Например, исследователи описывают "большой взрыв" комбинаций доменов 1,5 миллиарда лет назад, совпадающий с появлением многоклеточных организмов и эукариот, организмов с мембраносвязанными ядрами, включая человека.
Существование большого биологического взрыва не ново. Ранее другая команда сообщала о массовом и раннем происхождении метаболизма, и недавно они снова обнаружили это при отслеживании истории метаболических сетей . Исторические записи большого взрыва, описывающие эволюционное лоскутное одеяло белков, предоставляют новые инструменты для понимания состава белков.
Это может помочь определить, например, почему структурные вариации и геномные рекомбинации часто возникают у SARS-CoV-2. Дополнительно этот новый способ понимания белков может помочь предотвратить пандемии, позволяя отследить происхождение вирусных заболеваний. Это также может помочь смягчить последствия заболевания за счет улучшения конструкции вакцины при возникновении вспышек.