Binding Entropy Can Be Predicted by Crystallographic Ensembles

Stellen Sie sich vor, Sie versuchen zu verstehen, warum zwei Puzzleteile perfekt ineinandergreifen. Lange Zeit haben Wissenschaftler nach der „Form“ der Teile und dem „Kleber“ (den chemischen Bindungen) gesucht, die sie zusammenhalten, was so etwas wie das Messen der Enthalpie ist. Aber es gibt einen verborgenen Teil des Puzzles: die Entropie. Betrachten Sie Entropie als den „Bewegungsspielraum“ oder die Freiheit zur Bewegung. Wenn zwei Dinge aneinanderbinden, verlieren sie oft etwas dieser Freiheit, und genau zu bestimmen, wie viel Freiheit verloren geht, war extrem schwierig, da man dafür herkömmliche, statische Bilder von Molekülen verwendete.

Diese Arbeit stellt eine neue Art vor, diese statischen Bilder zu betrachten. Anstatt ein Protein als eingefrorene Statue zu sehen, erstellten die Forscher Multikonformer-Ensemble-Modelle. Man kann sich das wie eine schnelle Folge von Blitzlichtaufnahmen einer Tänzerin vorstellen, anstatt nur eines einzelnen Standfotos. Durch die Betrachtung hochauflösender Röntgenkristallographie-Daten durch diese „Burst-Linse“ konnten sie die winzigen, zitternden Bewegungen der Proteinatome und der sie umgebenden Wassermoleküle sehen.

Hier ist das, was sie herausgefunden haben, einfach aufgeschlüsselt:

• Das Unsichtbare vorhersagen: Sie nutzten diese „Burst-Foto“-Modelle, um zu schätzen, wie viel „Bewegungsspielraum“ (Entropie) verloren geht, wenn ein Protein einen Liganden (ein kleines Molekül) greift. Als sie ihre Schätzungen mit realen Labormessungen (unter Verwendung eines Werkzeugs namens isothermer Titrationskalorimetrie) verglichen, stimmten die Ergebnisse für über 70 verschiedene Paare überraschend gut überein. Es ist, als würde man das Gewicht eines Koffers erraten, indem man nur betrachtet, wie sehr die Räder zusammengedrückt werden, und fast jedes Mal richtig liegen.
• Der Tanz des Proteins: Die Forscher fanden heraus, dass umso mehr sich die Bindungsentropie änderte, je mehr die Proteinatome im Kristall „zitterten“ oder sich bewegten (erfasst durch Ordnungsparameter). Es gibt eine direkte Linie: Mehr Bewegung im Kristall bedeutet eine spezifische Änderung der Bindungsenergie.
• Vergessen Sie das Wasser nicht: Eine entscheidende Entdeckung war, dass man nicht nur das Protein betrachten darf; man muss auch das Wasser betrachten. Stellen Sie sich das Protein und den Liganden wie zwei Menschen vor, die in einem vollbesetzten Raum voller Wassermoleküle tanzen. Wenn der Tanz einige Wassermoleküle verdrängt, ändert das die Energie. Die Forscher fanden heraus, dass ihre Vorhersagen noch besser wurden, wenn sie genau zählten, wie viele Wassermoleküle verdrängt wurden (und dabei korrigierten, wie klar das „Foto“ war). Das Protein und das Wasser sind ein Team; man muss beide zählen, um die richtige Antwort zu erhalten.
• Das Wassernetzwerk: Sie untersuchten auch, wie Wassermoleküle „Händchen halten“ mit dem Protein (Wasserstoffbrückenbindung). Veränderungen in diesen Wasser-„Händchenhaltungs“-Netzwerken halfen zu erklären, warum sich manche Bindungen anders anfühlten als andere.

Das Fazüssen:
Die Arbeit behauptet, dass Wissenschaftler durch die Nutzung dieser kristallographischen Ensembles (die „Burst-Fotos“ der Bewegung) endlich den „Entropie“-Teil der Bindungsgleichung berechnen können. Das bedeutet, dass wir erstmals diesen Faktor der „Bewegungsfreiheit“ explizit einbeziehen können, wenn wir untersuchen, wie Moleküle einander erkennen, was hilft zu verstehen, wie biologische Funktionen funktionieren und wie man Medikamente entwirft, die besser passen.