Ученые выяснили, как химозин марала сворачивает молоко

Все это справедливо и в случае химозинов — белков с большим хозяйственным значением. Они нужны для производства сыра и других молочных продуктов, которое требует предварительного свертывания молока. Это процесс по сути коагуляции молочных белков, приводящей к изменению формы их молекул и выпадению в осадок. 

Химозин — это сычужный фермент, который синтезируется у большинства видов млекопитающих. Слизистая оболочка их желудка исходно выделяет неактивный профермент размером 365 аминокислотных остатков. В кислой среде желудочного сока он теряет фрагмент размером 42 аминокислоты, превращаясь в зрелый и активный химозин. Фермент начинает образовываться еще до рождения животного, а его синтез останавливается, когда молодое млекопитающее прекращает питаться молоком и переходит на более «взрослую» пищу.

Более того, химозины различных животных — ценная модель для изучения особой группы ферментов, которую они представляют (аспартатных пептидаз). Несмотря на сходство последовательности и трехмерной структуры, у разных млекопитающих эти ферменты сильно отличаются по ферментативной активности. Чтобы это объяснить, ученые рассмотрели, как химозины разных видов разрушают молочные белки — как «свои собственные», так и из других организмов. Результаты опубликованы в International Journal of Biological Macromolecules.

В случае коровьего молока около 80% его белков — это кодируемые отдельными генами αs1-, αs2-, β- и 𝜅-казеин (каппа-казеин). Именно последний стабилизирует мицеллы — взвешенные в молоке капли, содержащие белки. Поэтому расщепление каппа-казеина — ключевой этап сворачивания молока, без которого невозможно получить молочные продукты.

В новой работе ученые обратили внимание на химозин алтайского марала (Cervus elaphus sibiricus) — крупного оленя, широко распространенного в Азии. Используя генную инженерию, исследователи получили рекомбинантный химозин. Фермент закристаллизовали и получили его точную структуру с помощью рентгеновского излучения. Для сравнения использовали данные о химозинах коровы и одногорбого верблюда.

Активность белка оценили благодаря хромато-масс-спектрометрии, а также при помощи его инкубации вместе с субстратами (т. е. целевыми молекулами, которые химозин должен избирательно расщеплять). В этой роли использовали фрагменты каппа-казеина из молока разных видов — самого марала, коровы и верблюда.

Оказалось, что в случае маральего и коровьего казеина химозин марала разрушает связь F105-M106, тогда как в верблюжьем казеине (который фермент в природе никогда не «встречает») — связь F97-I98. Между тем сравнение трехмерной структуры трех белков показало, что взаиморасположение остатков аминокислот в них почти идентично. 

Далее впервые полученная в исследовании структура химозина марала была использована для компьютерного моделирования. Ученые провели белок-белковый докинг, который описывает взаимодействия молекул между собой, а также использовали молекулярную динамику. Удалось выяснить, как активный центр фермента взаимодействует с синтетическими белками-субстратами из молока того же марала, коровы и верблюда. 

Взаимодействия атомов в молекуле химозина / © International Journal of Biological Macromolecules

Помимо практической значимости для сыроварения, новое исследование представляет и другой интерес. Во-первых, это реконструкция эволюции млекопитающих и, в частности, их кодирующих химозин генов. Имевшиеся прежде в распоряжении биологов данные о белках крупного рогатого скота и верблюдов не давали полной картины молекулярной эволюции. Ее дополнил результат изучения химозина алтайского марала — обитателя совсем других экосистем. Он проливает свет на изменения пищеварительных ферментов в зависимости от факторов окружающей среды.

Более того, исследование также предложило новый подход, с помощью которого можно понять общие механизмы взаимодействия химозина с каппа-казеином. Он применим к другим видам животных и будет полезен для выявления структурных особенностей биомолекул, которые делают возможными эти ферментативные реакции. Такие знания необходимы для решения биоинженерных задач: создания новых молекул химозина, имеющих оптимальные свойства не только для производства сыра, но и для получения биологически активных пептидов, участия в отдельных биологических процессах и т. д.

Распределение зарядов в молекуле химозина / © International Journal of Biological Macromolecules

«Нами, совместно с коллегами из Новосибирска, Уфы, Барнаула, Кольцово и Центра синхротронного излучения «СКИФ», была получена и описана трехмерная структура рекомбинантного химозина алтайского марала. В статье также проведен биохимический анализ его каталитических свойств и показаны результаты молекулярного моделирования реакции катализа. Рекомбинантный или, другими словами, биотехнологический химозин во всем мире используется для производства сыра. Однако в России его не выпускают. Мы надеемся, что наша работа в дальнейшем поможет создать «идеальный» химозин c комплексом технологических свойств, ценных для сыроделия, а также лучше понять механизмы каталитического действия разных химозинов из разных видов млекопитающих», — отметил Михаил Шевцов, старший научный сотрудник лаборатории структурной биологии рецепторов, сопряженных с G белком Центра исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ.