Отвечает за окраску саранчи. Ученые определили 3D-структуру желтого бета-каротин-связывающего белка

BBP (от английского — beta-carotene binding protein) – водорастворимый белок, который, связываясь с бета-каротином, определяет окраску самцов пустынной саранчи. В статье, опубликованной в журнале Structure, исследователи описывают трехмерную структуру белка BBP в комплексе с бета-каротином. Это первая известная 3D-модель бета-каротина, связанного с каким-либо водорастворимым белком. Также биохимики изучили, насколько BBP «привередлив» в выборе связываемых каротиноидов.

Пустынная саранча (Schistocerca gregaria) может жить в одиночестве или в группах. Обычно эти насекомые ведут себя скрытно, медленно двигаются и довольствуются скудным рационом. Но во время сильной засухи особи собираются на островках оставшейся зелени, становятся более активными и выделяют феромоны для привлечения все новых и новых собратьев. Так саранча образует огромные стаи, которые покрывают землю сплошным ковром, загораживают собой Солнце и уничтожают всю растительность на своем пути, оставляя поля без урожая. Окраска самцов пустынной саранчи при переходе к стайному образу жизни меняется и становится ярко-желтой благодаря накоплению в покровах саранчи белка BBP.

Недавно ученые из ФИЦ Биотехнологии РАН подробно описали его физико-химические свойства и предложили механизм, по которому он функционирует в кутикуле насекомого. Однако его структура и механизм связывания бета-каротина до последнего времени оставались неизвестными. В новой работе ученые расшифровали его пространственную структуру.

Мы получили кристаллическую структуру комплекса белка ВВР с бета-каротином, который отвечает за ярко-желтую окраску самцов стайной пустынной саранчи. Когда молекул бета-каротина рядом нет, BBP может менее эффективно образовывать комплексы с некоторыми распространенными в растениях каротиноидами в зависимости от количества и расположения в их структуре атомов кислорода. При этом белок BBP отказывается соединяться с ликопином.

• Никита Егоркин, младший научный сотрудник лаборатории белок-белковых взаимодействий ФИЦ Биотехнологии РАН и ведущий автор научной статьи

Биохимики подтвердили, что BBP относится к суперсемейству белков Takeout с характерным для них строением — TULIP-укладкой, образующей гидрофобный туннель. Внутри него может разместиться молекула лиганда — то есть, вещества, которое связывается с BBP (в данном случае его роль выполняет бета-каротин). Стенки этого туннеля идеально соответствуют форме молекулы бета-каротина и практически лишены полярных аминокислотных остатков. Это свойство объясняет механизм связывания пигмента бета-каротина, который по своей химической природе является не растворимым в воде углеводородом, а также уникальный спектр поглощения бета-каротина в комплексе с BBP.

Удивительно, что функции других белков семейства Takeout, широко распространенных у насекомых, не связаны с пигментацией. Так, первый открытый белок Takeout, давший название суперсемейству, участвует в регулировании циркадных ритмов и пищевого поведения у дрозофилы. Takeout 1-подобный белок яблоневой моли Epiphyas postvittana имеет структуру, сходную с BBP, и способен связывать убихинон и жирные кислоты. Подобным строением обладают и родственные белки насекомых - JHBP, которые отвечают за транспорт ювенильных гормонов.

Несмотря на общую способность к связыванию гидрофобных молекул Takeout-белками, BBP действует на редкость избирательно, предпочитая бета-каротин остальным каротиноидам. Это объясняется практически идеальным геометрическим и химическим соответствием полости белка молекуле бета-каротина, который выполняет в этой структуре роль «скелета» и делает белок устойчивым к повышению температуры и химическому воздействию. Внешняя гидрофильная поверхность BBP обеспечивает хорошую растворимость связанного бета-каротина в водных растворах, играя роль оболочки или капсулы. При этом без каротиноида BBP настолько нестабилен, что его не удается получить в чистом виде.

Формируемый комплекс BBP с бета-каротином по сути является композиционным наноматериалом, который можно сравнить с железобетоном, где два компонента с различными физико-химическими свойствами образуют материал с характеристиками, отличными от характеристик отдельных компонентов. Есть основания полагать, что родственные BBP каротиноид-связывающие белки достаточно широко распространены среди насекомых отряда Прямокрылые, и что они обеспечивают окраску и других представителей семейства. Уникальные свойства BBP могут быть использованы для стабилизации бета-каротина в водных средах и для его адресной доставки в биомедицинских приложениях.

• Никита Егоркин

Эта работа открывает возможность для проведения дальнейших исследований и расчетов, направленных не только на оптимальное применение BBP как переносчика и «растворителя» бета-каротина, но и на более точное предсказание спектральных особенностей каротиноидов в различном молекулярном окружении.

Исследование проводилось в рамках проекта ФНТП развития синхротронных и нейронных исследований при поддержке национального проекта «Наука и университеты».

Источник иллюстрации: ФИЦ Биотехнологии РАН