[논문 리뷰] Proteins -- a celebration of consilience

Tatjana Škrbić, Trịnh Xuân Hoàng외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 04.

Protein Structure and Dynamics참고 문헌 54인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 양자화학이나 수소결합을 언급하지 않고도 수학과 물리학의 기본 원리만을 사용하여 단백질 구성 요소인 알파-나선과 베타-시트의 기본 기하학을 유도하는 통합적이고 다학제적 프레임워크를 제안한다. 이는 이러한 구조들이 수학적으로 필수적인 결과임을 보여주며, 플라톤 기하학, 물리적 제약 조건, 생물학적 기능 사이에 깊은 통합성을 드러낸다. 주요 결과로 이론적 예측과 실험적 단백질 구조 간에 완벽한 일치가 확인되었다.

ABSTRACT

Proteins are the common constituents of all living cells. They are molecular machines that interact with each other as well as with other cell products and carry out a dizzying array of functions with distinction. These interactions follow from their native state structures and therefore understanding sequence-structure relationships is of fundamental importance. What is quite remarkable about proteins is that their understanding necessarily straddles several disciplines. The importance of geometry in defining protein native state structure, the constraints placed on protein behavior by mathematics and physics, the need for proteins to obey the laws of quantum chemistry, and the rich role of evolution and biology all come together in defining protein science. Here we review ideas from the literature and present an interdisciplinary framework that aims to marry ideas from Plato and Darwin and demonstrates an astonishing consilience between disciplines in describing proteins. We discuss the consequences of this framework on protein behavior.

연구 동기 및 목표

• 단백질의 핵심 구조적 모티프인 알파-나선과 베타-시트가 양자화학이나 특정 화학적 상호작용에 의존하지 않고 기하학과 위상수학의 기본 원리로부터 유도될 수 있음을 입증하는 것.
• 관찰된 단백질 구조들이 임의적이 아니라, 고리형 튜브 모델에 대한 공간 충만 제약 조건의 수학적 필연적 결과임을 보여주는 것.
• 플라톤의 이상형, 다윈의 진화론, 물리 법칙의 통찰을 하나의 일관된 프레임워크로 통합하여 단백질 접힘의 안정성과 보편성을 설명하는 것.
• 천연 상태의 단백질 접힘 도서관이 수학적·물리적 제약 조건에 의해 사전에 결정되어 있으며 진화적 변화의 대상이 아니라는 것을 보여주는 것.
• 수학, 물리학, 화학, 생물학이 단백질의 구조와 기능을 형성하는 데 있어 깊이 통합된 관계를 드러내며, 구조생물학에서 새로운 통합적 시각을 제공하는 것.

제안 방법

• Cα 원자들을 중심축으로 삼고 고정된 반지름 ∆를 가진 탄성 튜브로 단백질 배경을 모델링하는 것.
• 공간 충만 정리(의공간 충만 정리)를 사용하여 3차원 공간에서 이 튜브의 최소 에너지 대칭 배열로 나선형 및 시트 형태의 구조를 도출하는 것.
• 대칭성과 위상수학적 추론을 적용하여 나선의 피치 대 반지름 비율과 각도가 기하학적 제약 조건에 의해 유일하게 결정됨을 보여주는 것.
• 두 차원의 줄지어진 진동형 배열로 튜브 모델을 확장하여 평행 및 반평행 베타-시트 기하학을 수학적으로 예측하는 것.
• 이론적 예측을 PDB에서의 알려진 단백질 구조와 비교하여 피팅 파rameter 없이 완벽한 일치를 보여주는 것.
• 이 기하학적 프레임워크가 단백질 진화에 미치는 영향을 분석하여, 시퀀스 공간은 진화할 수 있지만 구조 공간은 고정되고 불변함을 강조하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단백질의 핵심 구조적 모티프인 알파-나선과 베타-시트가 수학과 물리학의 기본 원리만으로 유도될 수 있는가?
• RQ2 다양한 시퀀스 다양성에도 불구하고 단백질 접힘의 수가 제한되어 있고 불변인 이유는 무엇인가?
• RQ3 양자화학이나 수소결합을 언급하지 않고도 이론 기하학과 실험적 단백질 구조 간의 관찰된 일치는 어떻게 발생하는가?
• RQ4 기본적인 구조적 모티프가 수학적으로 사전 결정되어 있다면 진화는 단백질 기능을 어떻게 형성하는가?
• RQ5 대칭성, 위상수학, 공간 충만 기하학의 원리들이 어떻게 생명의 보편적 구성 요소를 만들어내는가?

주요 결과

• 알파-나선과 베타-시트의 기하학은 튜브 모델에 대한 공간 충만 제약 조건에 의해 유일하게 결정되며, 조정 가능한 파rameter가 없음.
• 나선의 피치 대 반지름 비율과 각도는 수학적으로 도출되었으며, 양자역학을 언급하지 않고도 실험값과 정확히 일치함.
• 평행 및 반평행 베타-시트 배열은 같은 기하학적 프레임워크를 줄지어진 튜브 배열에 적용했을 때 자연스럽게 도출됨.
• 나선 및 시트 기하학에 대한 이론적 예측은 PDB에서 관측된 실험적 단백질 구조와 거의 완벽한 일치를 보임.
• 천연 상태의 단백질 접힘 도서관은 불변이며, 수학적·물리적 제약 조건에 의해 결정되어 다윈의 진화에 영향을 받지 않음.
• 이 프레임워크는 플라톤의 이상 기하학, 물리 법칙, 생물학적 기능 사이에 깊은 통합성을 드러내며, 단백질 구조를 설명하는 데 있어 서로 다른 과학 분야를 통합하는 데 기여함.