Энергетические ландшафты в молекулярной биологии: история, принципы и перспективы

В редакционной статье для специального выпуска Нуссинов и Волайнс исследовали энергетические ландшафты биомолекулярной функции, задавшись вопросом, ознаменовали ли они вторую революцию в молекулярной биологии. Спустя более десяти лет, на протяжении которых наука значительно продвинулась, мы вновь обращаемся к этому вопросу. Статистические энергетические ландшафты не только визуализируют воронки сворачивания, но и количественно описывают вероятности различных состояний, воплощая фундаментальные физико-химические принципы функционирования белков. На основе теории энергетических ландшафтов парадигма конформационного отбора и сдвига популяций утверждала, что, поскольку все функциональные конформации уже существуют в динамическом равновесии, лиганд «выбирает» и стабилизирует состояние из этого предварительно существующего пула, что приводит к повторному установлению равновесия, или сдвигу, популяции. Установленный этой парадигмой принцип — функция использует переходы между предварительно существующими конформациями — произвёл революцию в понимании аллостерии и, в более широком смысле, регуляции. Эта парадигма бросила вызов и вытеснила существовавшее десятилетиями, хотя и сохранявшееся до сих пор, представление лишь об одной (или двух — «открытой» и «закрытой») конформации белка. Она также показывает, что для эффективного функционирования сконструированных белков необходимо учитывать временные масштабы переключения между состояниями энергетического ландшафта, например регулируя высоту энергетических барьеров. Возвращаясь к вопросу о том, ознаменовали ли ландшафты вторую революцию в биомолекулярной биологии, мы рассматриваем их фундаментальный вклад, далеко выходящий за пределы первоначальных представлений о воронках сворачивания белков. Они утвердили принцип существования множества динамических конформационных состояний, «перескакивающих» через барьеры при сдвигах популяций. Используя такие ключевые концепции, как конформационные ансамбли, современная молекулярная биология достигла прорывов, включая аллостерические препараты нового поколения, что действительно привело к преобразующей эпохе в молекулярной науке.