13 af 69 designede proteiner kløver andre proteiner

Forskere har fra bunden designet proteinmolekyler, der kan klippe en bestemt binding i et andet protein. I laboratoriet testede de 69 oprensede kandidater; 13 kløvede det tilsigtede mål (Nature). Celler styrer, hvilke proteiner der er aktive, ved at klippe dem bestemte steder. Et værktøj, der kan gøre det efter behov, vil give biologer mulighed for at påvirke den proces direkte.

Hvorfor peptidbindingen er så svær at bryde

Et protein er en kæde af aminosyrer, der holdes sammen af peptidbindinger. De bindinger er usædvanligt stabile: Lægger man et protein i neutralt vand, kan de holde i århundreder (Radzicka and Wolfenden).

Alligevel kløver celler proteiner hele tiden ved hjælp af enzymer, der kaldes proteaser. Enzymer er proteiner, som sætter fart på kemiske reaktioner; proteaser er specialiseret i at klippe andre proteiner. Nøglen er placeringen. De reaktive kemiske grupper skal holdes i præcis den rigtige afstand og vinkel fra bindingen, der skal brydes, længe nok til, at reaktionen kan ske. Afviger geometrien blot en brøkdel af en nanometer, sker der ingenting.

Det var den udfordring, forskerne tog fat på. De tog udgangspunkt i den reaktive kombination, som naturlige cysteinproteaser bruger: aminosyren cystein, der indeholder svovl, aktiveres af en histidin ved siden af. Derefter byggede de et nyt protein omkring kombinationen, så de kemiske grupper blev holdt på plads (Nature).

En proteinform, der holder kemien på plads

Holdet brugte AI-værktøjer til først at udvikle proteinformer, altså den tredimensionelle struktur, som en kæde af aminosyrer folder sig til. Derefter udvalgte de aminosyresekvenser, der kunne skabe formerne, og forudsagde, om sekvenserne faktisk ville folde som ønsket (ProteinMPNN paper). Softwaren indsnævrede de mange muligheder til et antal, som laboratoriet kunne fremstille og teste. Forsøgene viste, hvad der virkede.

De færdige proteiner ligner ikke naturlige proteaser (Nature). Forskerne lånte kemien, men byggede et nyt skelet omkring den. De bekræftede designet ved at dyrke krystaller af flere proteiner og bestemme deres atomstruktur. Strukturerne stemte med computerens forudsigelser.

Fra reagensglas til levende celle

Laboratorieforsøg viste, at proteinerne kløvede deres mål. Holdet afprøvede dem også i pattedyrceller: Forskerne indførte de genetiske instruktioner til både den designede protease og et målprotein og undersøgte derefter, om proteinet var blevet kløvet (preprint).

Det er et vigtigt skridt, fordi et reagensglas er et mere tilgivende miljø end en celle. Cellen er tæt pakket med andre molekyler, og den kan få et fremmed protein til at folde forkert eller nedbryde det. Et designet enzym, der overlever i det miljø og stadig virker, har klaret en reel prøve.

Tallet 13 ud af 69 skal læses i sammenhæng. Softwaren havde allerede udvalgt kandidaterne, som forskerne derefter oprensede og testede (Nature). Resultatet viser altså, hvor ofte et nøje udvalgt design virker, hvilket er relevant, hvis metoden skal gentages. De fleste kandidater virkede stadig ikke, og de aktive designs er mindre effektive end de naturlige enzymer, hvis kemi de bygger på (Ars Technica). Forskerne mener, at de reaktive grupper endnu ikke er placeret så præcist, som evolutionen har formået.

Mange sygdomme hænger sammen med proteiner, der gør skade. Et værktøj, der kan klippe et udvalgt protein, kan derfor måske bruges til at slå det fra (GeekWire). Forsøgene viser, at velkendt kemi til at klippe proteiner kan fungere i nye, designede proteinformer. Medicinsk brug er endnu ikke afprøvet.