13 от 69 проектирани ензима режат белтъци

Изследователи създадоха от нулата белтъчни молекули, които разрязват избрана връзка във веригата на друг белтък. От 69 пречистени кандидата, изпитани в лаборатория, 13 разрязали зададената им мишена (Nature). Клетките използват разрязването на белтъци на точно определено място, за да контролират кои от тях са активни. Инструмент, който прави това по команда, би позволил на биолозите да се намесват в този процес, вместо само да го наблюдават.

Защо тази връзка се разкъсва толкова трудно

Белтъкът е верига от аминокиселини, свързани с пептидни връзки. Те трудно се разпадат сами: ако поставите белтък в неутрална вода, връзките му могат да останат цели векове (Radzicka and Wolfenden).

Въпреки това клетките постоянно разкъсват тези връзки с помощта на ензими, наречени протеази. Ензимът е белтък, който ускорява химична реакция, а протеазите са специализирани в разрязването на други белтъци. Те го правят, като подреждат реактивните химични групи на точно разстояние и под точния ъгъл спрямо връзката. Групите трябва да останат в това положение достатъчно дълго, за да протече реакцията. Отклонение дори от части от нанометъра може да е достатъчно тя изобщо да не се случи.

Това е предизвикателството, с което се заел екипът. Изследователите не измислили нова химия, а използвали реактивната комбинация на естествените цистеинови протеази: съдържащата сяра аминокиселина цистеин се активира от съседна аминокиселина, хистидин. След това се опитали да изградят около тази комбинация изцяло нов белтък, който да държи всички съставки на място (Nature).

Проектиране на форма, която подрежда химичните групи

Тук идва изчислителната част. Екипът използвал инструменти с изкуствен интелект, за да създаде форми на белтъци — триизмерната структура, в която се нагъва веригата от аминокиселини. После подбрал аминокиселинни последователности, които вероятно биха образували тези форми, и предсказал дали всяка последователност ще се нагъне по желания начин (статия за ProteinMPNN). Софтуерът стеснил огромния набор от възможности до варианти, които лабораторията можела да произведе и изпита. Дали проектирането е успяло, показали самите тестове.

Новите белтъци се различават от естествените протеази по цялостната си структура (Nature). Химичната реакция е заимствана, но белтъчната основа, която я поддържа, е нова. Екипът потвърдил това, като отгледал кристали от няколко проекта и установил атомната им структура. Тя съвпаднала с предсказанията на компютрите.

От епруветката до живата клетка

Лабораторните тестове показали, че проектираните протеази разрязват мишените си. Екипът ги изпитал и в клетки на бозайници: въвел генетичните инструкции както за проектираната протеаза, така и за целевия белтък, след което потърсил доказателства за разрязване (предпубликация).

Тази стъпка има значение, защото епруветката е сравнително благоприятна среда. В клетката има много молекули, които си взаимодействат, а белтъкът може да се нагъне неправилно или клетката да го разгради, ако не го разпознава. Проектиран ензим, който оцелява в такава среда и запазва функцията си, е преодолял съществено препятствие.

Резултатът 13 от 69 трябва да се тълкува точно. Кандидатите не били избрани на случаен принцип: софтуерът ги филтрирал, преди изследователите да ги пречистят и изпитат (Nature). Следователно този дял показва колко често работи внимателно подбран проект — показател, важен, ако процесът трябва да се повтори. Повечето опити все пак се провалили, а новите протеази са по-малко активни от естествените ензими, чиято химия използват (Ars Technica). Изследователите смятат, че реактивните групи в новите протеини още не са подредени толкова точно, колкото при естествените ензими.

Приложението на идеята е ясно: при много заболявания даден белтък извършва вредна функция, а инструмент, който разрязва избран белтък, би могъл да я спре (GeekWire). Експериментите показват, че позната химия за разрязване на белтъци може да работи и в новопроектирани белтъчни структури. Медицинско приложение все още не е изпитано.