13 von 69 entworfenen Proteinen schneiden gezielt

Forschende haben Proteine von Grund auf so entworfen, dass sie eine ausgewählte Verbindung in einem anderen Protein spalten. Von 69 aufgereinigten Kandidaten, die sie im Labor prüften, schnitten 13 das vorgesehene Ziel (Nature). Zellen steuern über solche gezielten Schnitte, welche Proteine aktiv sind. Ein Werkzeug, das dies auf Abruf ermöglicht, würde Biologen erlauben, in diese Steuerung einzugreifen, statt sie nur zu beobachten.

Warum diese Bindung so schwer zu spalten ist

Proteine bestehen aus Aminosäureketten, die durch Peptidbindungen zusammengehalten werden. Diese Bindungen lösen sich von selbst nur äußerst langsam: In neutralem Wasser können sie Jahrhunderte bestehen (Radzicka and Wolfenden).

Zellen spalten sie dennoch ständig – mithilfe von Enzymen, die Proteasen heißen. Enzyme sind Proteine, die chemische Reaktionen beschleunigen; Proteasen sind auf die Spaltung anderer Proteine spezialisiert. Entscheidend ist die genaue Positionierung: Die reaktiven chemischen Gruppen müssen im richtigen Abstand und Winkel zur zu spaltenden Bindung liegen und lange genug dort bleiben, damit die Reaktion ablaufen kann. Schon eine Abweichung um den Bruchteil eines Nanometers kann verhindern, dass überhaupt etwas geschieht.

Genau diese Herausforderung nahm sich das Team vor. Es entwickelte keine neue Chemie, sondern nutzte die reaktive Kombination natürlicher Cystein-Proteasen: eine schwefelhaltige Aminosäure namens Cystein, die ein benachbartes Histidin aktiviert. Darum herum entwarfen die Forschenden ein neues Protein, das die nötigen Bestandteile an Ort und Stelle halten sollte (Nature).

Eine Form für die Chemie entwerfen

Für den rechnerischen Teil nutzte das Team KI-Werkzeuge. Zunächst entwarf es Proteinformen, also dreidimensionale Strukturen, in die sich eine Aminosäurekette faltet. Dann wählte es Aminosäuresequenzen aus, die diese Formen wahrscheinlich hervorbringen würden, und sagte voraus, ob sich die Sequenzen tatsächlich wie gewünscht falten würden (ProteinMPNN paper). Die Software engte eine enorme Zahl möglicher Entwürfe auf jene ein, die sich im Labor herstellen und prüfen ließen. Welche davon funktionierten, zeigte erst der Versuch.

Die fertigen Proteine ähneln in ihrer Struktur kaum natürlichen Proteasen (Nature). Die Chemie stammt aus natürlichen Enzymen, das Gerüst um sie herum ist neu. Das Team bestätigte seine Vorhersagen, indem es Kristalle mehrerer Entwürfe züchtete und deren atomare Strukturen bestimmte.

Vom Reagenzglas in die lebende Zelle

In Laborversuchen spalteten die Entwürfe ihre Zielproteine. Anschließend prüfte das Team sie auch in Säugetierzellen: Es brachte dort die genetischen Bauanleitungen sowohl für die entworfene Protease als auch für ein Zielprotein ein und suchte nach Anzeichen einer Spaltung (preprint).

Dieser Schritt ist anspruchsvoller, weil ein Reagenzglas eine vergleichsweise einfache Umgebung bietet. In einer Zelle konkurrieren zahlreiche Moleküle miteinander; außerdem kann sie ein unbekanntes Protein falsch falten oder abbauen. Ein entworfenes Enzym, das in dieser Umgebung bestehen bleibt und dennoch funktioniert, hat eine wichtige Hürde genommen.

Die Zahl 13 von 69 muss man genau einordnen: Die Kandidaten waren keine zufälligen Versuche, sondern bereits per Software ausgewählt und anschließend aufgereinigt und getestet worden (Nature). Die Quote zeigt also, wie oft ein sorgfältig vorausgewählter Entwurf funktioniert – und womit bei einer Wiederholung des Verfahrens zu rechnen ist. Die meisten Versuche scheiterten weiterhin, und die Entwürfe sind weniger aktiv als die natürlichen Enzyme, deren Chemie sie übernehmen (Ars Technica). Die Forschenden vermuten, ihre reaktiven Gruppen seien noch nicht so präzise positioniert, wie es natürlichen Enzymen im Lauf der Evolution gelungen ist.

Der mögliche Nutzen liegt auf der Hand: Bei vielen Krankheiten wirkt ein Protein schädlich; ein Werkzeug, das ein bestimmtes Protein spalten kann, könnte es gezielt ausschalten (GeekWire). Die Versuche zeigen, dass sich die vertraute Chemie natürlicher Proteasen auch in neu entworfenen Proteinstrukturen einsetzen lässt. Ein medizinischer Einsatz ist bislang nicht erprobt.