13 z 69 navržených proteinů štěpí cílové proteiny

Buňky řídí aktivitu bílkovin mimo jiné tím, že je štěpí na přesně určených místech. Výzkumníci od základu navrhli molekuly, které mají takový střih provést na vybrané vazbě v jiné bílkovině. V laboratoři otestovali 69 přečištěných kandidátů a 13 z nich zamýšlený cíl rozštěpilo (Nature). Nástroj, který by to dokázal na povel, by biologům umožnil do tohoto systému přímo zasahovat.

Proč se tato vazba tak těžko štěpí

Bílkovina je řetězec aminokyselin spojených peptidovými vazbami. Ty se samy rozpojují jen velmi neochotně: ve vodě s neutrálním pH mohou vydržet po staletí (Radzicka and Wolfenden).

Buňky je přesto neustále štěpí pomocí enzymů zvaných proteázy. Enzym je bílkovina, která urychluje chemickou reakci; proteázy se specializují na štěpení jiných bílkovin. Rozhoduje přesné uspořádání: reaktivní chemické skupiny musí být od vazby, kterou mají rozštěpit, ve správné vzdálenosti i úhlu a v této poloze setrvat dost dlouho, aby reakce proběhla. Odchylka o zlomek nanometru stačí k tomu, aby se nestalo nic.

Právě to byla hlavní výzva, kterou si tým stanovil. Novou chemii nevymýšlel. Využil kombinaci známou z přírodních cysteinových proteáz: aminokyselinu cystein obsahující síru, kterou aktivuje sousední histidin. Kolem této dvojice se pokusil postavit zcela novou bílkovinu, jež by ji držela ve správné poloze (Nature).

Jak navrhnout tvar, který udrží chemii na místě

Výpočetní část začala návrhem tvarů bílkovin, tedy trojrozměrných podob, do nichž se řetězce aminokyselin skládají. Tým použil nástroje umělé inteligence, aby pak vybral aminokyselinové sekvence, u nichž se předpokládalo, že takový tvar vytvoří, a odhadl, zda se do něj skutečně složí (ProteinMPNN paper). Software zúžil obrovský prostor možností na návrhy, které šlo v laboratoři vyrobit a otestovat. O tom, co funguje, rozhodly pokusy.

Výsledek je zajímavý i tím, jak málo se hotové bílkoviny podobají známým proteázám. Jejich okolní stavba přírodní proteázy nepřipomíná (Nature). Tým si vypůjčil chemii, nikoli konstrukci, která ji drží na místě. Ověřil to krystalizací několika návrhů a určením jejich atomových struktur, které odpovídaly předpovědím počítačů.

Ze zkumavky do živé buňky

V laboratorních testech navržené proteázy štěpily své cíle. Tým je pak vyzkoušel také v savčích buňkách: vnesl do nich genetické instrukce pro navrženou proteázu i cílovou bílkovinu a hledal známky toho, že se cílová bílkovina rozštěpila (preprint).

To je důležitý krok, protože zkumavka je pro bílkovinu poměrně příznivé prostředí. Buňka je přeplněná různými molekulami. Navržená bílkovina se v ní může chybně složit, nebo ji buňka může zničit, pokud ji nerozpozná. Enzym, který v takovém prostředí přežije a dál funguje, překonal skutečnou překážku.

Číslo 13 z 69 je třeba číst přesně: nešlo o 69 náhodných pokusů. Software kandidáty nejprve vybral a vědci je následně přečistili a otestovali (Nature). Údaj tedy ukazuje, jak často uspěje pečlivě předvybraný návrh — a právě to je důležité, má-li se postup zopakovat. Většina pokusů přesto selhala a navržené proteázy jsou méně aktivní než přírodní enzymy, jejichž chemii napodobují (Ars Technica). Podle výzkumníků jejich reaktivní skupiny zatím nejsou umístěny tak přesně jako u enzymů, které vznikaly evolucí.

Mnoho nemocí souvisí s tím, že určitá bílkovina škodí. Nástroj, který by dokázal přestřihnout vybranou bílkovinu, by ji mohl vypnout (GeekWire). Pokusy ukazují, že známá chemie štěpení bílkovin může fungovat i v nově navržených tvarech. Využití v medicíně zatím ověřeno nebylo.