莱斯大学的发现对药物设计、遗传学等方面都有意义
莱斯大学的研究人员在化学动力学方程中发现了一种隐藏的对称性，科学家们长期以来一直用它来模拟和研究生命中许多必不可少的化学过程。
Anatoly Kolomeisky(左)和Oleg Igoshin。(资料来源:杰夫·菲特洛/莱斯大学)
这一发现对药物设计、遗传学和生物医学研究都有意义，并在本月的《美国国家科学院院刊》(Proceedings of The National Academy of Sciences)上发表的一项研究中进行了描述。为了说明这一生物学分支，研究的共同作者Oleg Igoshin、Anatoly Kolomeisky和Rice’s理论生物物理中心(CTBP)的Joel Mallory使用了三个广泛的例子:蛋白质折叠、酶催化和运动蛋白效率。
在每种情况下，研究人员都证明了一个简单的数学比例表明误差的可能性是由动力学而不是热力学控制的。
它可能是一种蛋白质折叠成正确的对错误的构象，一种酶将正确的对错误的氨基酸合并到多肽链中，或者是一种运动蛋白错误地后退而不是前进，”说，CTBP研究者和Rice生物工程教授Igoshin。所有这些特性都可以用两个稳态通量的比值来表示，我们发现用这些形式表示的生物学特性是受动力学控制的
蛋白质折叠的例子说明了药物设计的含义。所有的蛋白质都会折叠成一个特定的形状，而有一小部分会折叠成错误的形状。蛋白质错误折叠与一些遗传性遗传疾病有关，制药商对制造能够降低蛋白质错误折叠几率的药物很感兴趣。
这是artist’s对自由能场的描述，以及蛋白质可能遵循的两条折叠路径(左)和导致错误折叠状态的第三条路径(右)。(图片由O. Igoshin/Rice大学提供)
在它折叠之前，蛋白质有能量，就像一个坐在山顶上的球。折叠是从这个高能量的起点到球停止滚动的地方的下坡跑。化学家经常使用一种叫做“free-energy的视觉辅助工具来绘制化学反应的能级图。从蛋白’s展开的起点到完全折叠的终点的下坡看起来就像一条蜿蜒穿过一系列山谷的山路。即使沿路的一个城镇海拔较低，旅行者也可能不得不在下山的路上爬上小山，从一个山谷爬到另一个山谷。
Igoshin说:“我们展示了谷地间的屏障，谷地间的高点，这些屏障决定了这些比率。”山谷的深处并不重要。
例如，如果你想得到一种能帮助蛋白质正确折叠的药物，我们的预测是，这种药物必须能够减少折叠途径上的障碍，他说。如果它只影响谷折，例如通过提高折叠途径上某些中间构象的稳定性，它就不会改变蛋白质正确折叠与错误折叠的比率
Igoshin说这项工作来源于2017年的一项研究，他、Kolomeisky和前CTBP博士后研究员Kinshuk Banerjee证明了酶催化的准确性是由动力学控制的。Igoshin将这一发现描述为一种潜在的等式对称性
如果你观察通量的比率，你会得到这个有趣的消去，所有与这些值有关的项都消去了，你得到不变性，他说。“，当我们第一次得到这个结果时，它似乎与我们的直觉相反。然后，我们不确定这是否是巧合，因为在之前的论文中，我们只展示了两个特定的动力学模式。现在，Joel’s的工作已经表明，它可以推广到这一广泛的系统
Igoshin说“的对称性很难证明，但之前没人注意到
他说:我认为这是一个非常有趣的物理结果，在生物学上有重大意义。在许多生物过程中，它可以帮助定义在控制和优化系统级性能方面的可能限度
Kolomeisky是CTBP研究员，化学和化学与生物分子工程教授，Rice’s化学系系主任。马洛里是CTBP的博士后研究员。
这项研究得到了国家科学基金会和韦尔奇基金会的支持。
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