Как красочные ленточные диаграммы стали лицом белков

Белки часто представляют себе как каскады свернутых лент и закрученных нитей, которые одновременно и показывают, и скрывают хаос атомов, составляющих эти невероятно сложные молекулы. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже

Введение

Джейн Ричардсон никогда не считала себя художницей. Затем, в конце 1970-х годов, специалисту по структурной биологии понадобились цветные карандаши, пастель и бумага для эскизов.

Ричардсон, профессор биохимии в Университете Дьюка, изучала белки — биомолекулы, лежащие в основе всех процессов жизни. В то время структурные биологи совершенствовали свои навыки создания трехмерных моделей мельчайших атомных структур белков; она и ее муж Дэйв, с которым она делила лабораторию, определили две из первых 20 известных в этой области структур белков. Но ученым было трудно передавать информацию друг другу. В этой области не существовало стандартизированного способа сравнения форм белков. В научных статьях сложные молекулы изображались единообразно, как будто каждый исследователь изобрел свой собственный способ их иллюстрации.

Поэтому Ричардсон взялась за задачу создания нового вида научной иллюстрации — специально для белков. Она изучала, как изображать трехмерные формы в двух измерениях, включая работы М. К. Эшера. Она общалась с художниками. Она вспомнила свой курс по иллюзиям. Она рассматривала ремень, поворачивая его влево и вправо.

Затем она взяла карандаши и начала делать наброски. «Я не художник; я ничего другого нарисовать не умею», — сказала она в недавнем интервью Quanta. Это было «много рисования и стирания, рисования и стирания, рисования и стирания». После года проб и ошибок она остановилась на изящных листах и петляющих лентах, изображающих атомные структуры. Эти рисунки, впервые появившиеся в журнале Advances in Protein Chemistry в 1981 году, стали известны как ленточные диаграммы.

Рисунки Ричардсона быстро получили распространение. Структурные биологи оценили, насколько хорошо диаграммы передавали структуру молекулярного остова белка и как они позволяли исследователям сравнивать различные белки, используя один и тот же визуальный язык.

«Представление в виде ленточной диаграммы оказалось бесценным», — сказал Анастасис Перракис, структурный биолог из Нидерландского института рака и Утрехтского университета. Оно помогло ученым общаться, преподавать и классифицировать структуру белков, а также захватило воображение как ученых, так и людей, не имеющих отношения к науке. Оно позволило «убедить людей в элегантности белков и показать их сложность, не перегружая их информацией», — сказал Ричардсон.

Сегодня ленточные диаграммы повсеместно используются в научных статьях, учебниках и журналах для представления белков, отличаясь особым сочетанием ясности и красоты. «Трудно представить себе более осмысленное научное представление данных», — сказал Филип Борн, декан Школы науки о данных Университета Вирджинии.

Диаграммы оказались настолько удачными, что трудно вспомнить, что наши клетки на самом деле не заполнены разноцветными лентами и широкими стрелками.

Лицо белков

День за днем наши клетки усердно работают над созданием различных типов белков. Белки состоят из цепочек молекул, называемых аминокислотами, и каждая аминокислота имеет одну или несколько боковых цепей, состоящих из нескольких атомов, «отходящих от нее, как леденец», — говорит Джанет Торнтон, специалист по вычислительной биологии, которая в прошлом году ушла на пенсию из Европейской лаборатории молекулярной биологии. Аминокислотный остов естественным образом сворачивается в трехмерную форму, известную как белковая структура, которая определяет, с какими другими молекулами белок может связываться и, следовательно, его функцию в клетке.

После того как структурный биолог завершал процесс реконструкции трехмерной структуры белка, который раньше занимал годы, перед ним вставала новая проблема: как передать эту структуру другим ученым. По правде говоря, представить реалистичную структуру белка невероятно сложно. Белки крошечные, размером в нанометры, и могут содержать сотни тысяч атомов. «Если все эти атомы изобразить, а затем соединить, их становится очень трудно увидеть», — сказал Торнтон.

Инновация Ричардсон заключалась в воспроизводимом методе представления структуры аминокислотного остова белка без углубления в детали конкретных атомных расположений. Она опиралась на склонность белков сворачиваться в две энергетически выгодные формы: спирали, называемые альфа-спиралями, и плоские формы, называемые бета-тяжами, которые могут выстраиваться в так называемые бета-листы. Кроме того, существуют петли, которые соединяют альфа-спирали с бета-тяжами, подобно угловым элементам головоломки.

Существуют и другие складчатые структуры, и «люди придумали для них множество названий», — сказал Перракис. «Но в конечном итоге важны только спирали и листы».

За год, проведенный за рисованием, Ричардсон придумала простые способы изобразить эти основные формы. Альфа-спирали — это завитки, похожие на концы декоративных лент, закрученные лезвием ножниц. Бета-нити — это стрелки, указывающие направление построения цепочки аминокислот. А тонкие проволоки представляют собой петли и повороты, соединяющие структуры. «Это позволило нам проследить цепочку по кругу, увидеть эти складки и визуализировать их в трех измерениях», — сказала Торнтон.

Рисунки Ричардсона быстро завоевали популярность среди биологов благодаря тому, как они сочетают красоту с научной точностью. «Для меня они почти чудо. Я бы и не смог сделать это сам», — сказал Торнтон. «Люди писали Джейн и спрашивали: „Не могли бы вы нарисовать структуру моей клетки?“… Было очевидно, что никто другой не смог бы нарисовать такие прекрасные схемы».

Но Ричардсон не могла всё своё время тратить на рисование белков. Поэтому биологи обратились за помощью к компьютерам. Примерно через десять лет после появления диаграмм в 1981 году исследователи разработали алгоритмы для генерации ленточных диаграмм на компьютерах. Ричардсон часто сотрудничает с учёными-программистами, работающими над добавлением новых функций в диаграммы. И они используются до сих пор: по мере того, как искусственный интеллект проник в область изучения белков, ленточные диаграммы являются результатом работы таких алгоритмов, как AlphaFold2 от Google.

Ричардсон рада, что ей больше не нужно лично рисовать многочисленные структуры белков, которые теперь расшифрованы. «У меня больше нет на это глаз и времени», — сказала она.

Помимо лент

Ленточная диаграмма Ричардсона стала настолько распространенной, что трудно представить себе белки, выглядящие иначе. Борн часто напоминает своим студентам, что белки на самом деле так не выглядят.

«Белок совсем не похож на ленту», — сказал он. Он гораздо более динамичен, добавил он. Конечно, остовы белков сворачиваются в структуры, подобные спиралям и листам, которые изображены на ленточных диаграммах. Но исследователи не могут увидеть эти структуры, когда получают изображения белков.

«Мне нравится представлять их как мягкие силиконовые модели, — сказал Перракис. — Их можно немного сжать или согнуть».

Конечно, ленточные диаграммы, как упрощенные схемы, имеют свои ограничения. Они не могут передать некоторые структурные элементы, такие как туннели или карманы, где могут связываться другие молекулы — информация, критически важная для понимания того, как работают белки, и для разработки лекарств, нацеленных на них. Кроме того, они плохо отображают структуру более крупных белков или комплексов из нескольких белков.

«Это дает трехмерное представление о форме, но также скрывает многие известные нам особенности белков», — сказал Борн. «Таким образом, это может сузить кругозор». В эссе 2022 года он назвал это «проклятием ленточной диаграммы белков».

Еще один популярный способ представления — это модель, заполняющая пространство, которая показывает, сколько места занимают атомы, и больше похожа на настоящий белок. Она может отображать карманы и туннели белков, но не может представлять архитектуру белка, такую как спирали и листы. «Все зависит от того, что вы хотите показать», — сказал Перракис. Многие исследователи рассматривают разные типы белков вместе, чтобы получить всю важную структурную информацию. По словам Ричардсона, то, как выглядит белок, зависит от того, как вы решите его представить.

«В этом и заключается свобода, которую дает рисование белков… Но это также и пугает», — сказала она. «Мне немного странно, что все видят белки так, как вижу их я, или так, как я видела их в 1980 году».

«Ее диаграммы — довольно хороший способ это увидеть», — добавила она. «Но это, безусловно, не единственный способ».

Обновление: 26 августа 2024 г.
Изображение белковой петли на графике было удалено, пока мы изучаем возможность внесения исправлений.

Источник: www.quantamagazine.org