13 από τα 69 σχεδιασμένα πρωτεϊνικά «ψαλίδια» λειτουργούν

Ερευνητές σχεδίασαν από το μηδέν πρωτεϊνικά μόρια που κόβουν έναν επιλεγμένο δεσμό στην αλυσίδα μιας άλλης πρωτεΐνης. Από τους 69 υποψήφιους που απομόνωσαν και καθάρισαν για να τους εξετάσουν στο εργαστήριο, οι 13 έκοψαν τον στόχο για τον οποίο είχαν σχεδιαστεί (Nature). Τα κύτταρα ελέγχουν ποια πρωτεΐνες είναι ενεργές κόβοντάς τες σε συγκεκριμένα σημεία. Ένα εργαλείο που θα έκανε αυτή τη δουλειά κατά παραγγελία θα επέτρεπε στους βιολόγους να παρεμβαίνουν σε αυτόν τον μηχανισμό, αντί απλώς να τον παρατηρούν.

Γιατί είναι τόσο δύσκολο να σπάσει αυτός ο δεσμός

Μια πρωτεΐνη είναι αλυσίδα αμινοξέων, ενωμένων με πεπτιδικούς δεσμούς. Αυτοί οι δεσμοί δύσκολα διασπώνται από μόνοι τους: μέσα σε νερό ουδέτερου pH, μπορούν να παραμείνουν άθικτοι επί αιώνες (Radzicka and Wolfenden).

Τα κύτταρα, ωστόσο, τους διασπούν διαρκώς με ένζυμα που λέγονται πρωτεάσες. Ένζυμο είναι μια πρωτεΐνη που επιταχύνει μια χημική αντίδραση· οι πρωτεάσες ειδικεύονται στη διάσπαση άλλων πρωτεϊνών. Το μυστικό τους βρίσκεται στη σωστή τοποθέτηση: οι δραστικές χημικές ομάδες πρέπει να βρίσκονται σε συγκεκριμένη απόσταση και γωνία από τον δεσμό που πρόκειται να κοπεί, και να παραμείνουν εκεί όσο χρειάζεται για να γίνει η αντίδραση. Ακόμη και απόκλιση ενός κλάσματος του νανομέτρου αρκεί για να μην προχωρήσει καθόλου.

Αυτό ήταν το πραγματικό πρόβλημα που ανέλαβε η ομάδα. Δεν επινόησε νέα χημεία, αλλά δανείστηκε τον συνδυασμό που χρησιμοποιούν οι φυσικές πρωτεάσες κυστεΐνης: ένα αμινοξύ κυστεΐνης, που περιέχει θείο, ενεργοποιείται από μια γειτονική ιστιδίνη. Στόχος ήταν να σχεδιαστεί γύρω από αυτόν τον συνδυασμό μια εντελώς νέα πρωτεΐνη, ικανή να κρατά τα πάντα στη σωστή θέση (Nature).

Σχεδιάζοντας ένα σχήμα που συγκρατεί τη χημεία

Εδώ αρχίζει ο υπολογιστικός σχεδιασμός. Η ομάδα χρησιμοποίησε εργαλεία τεχνητής νοημοσύνης για να δημιουργήσει πρωτεϊνικά σχήματα, δηλαδή τις τρισδιάστατες μορφές που παίρνει μια αλυσίδα αμινοξέων όταν αναδιπλώνεται. Στη συνέχεια επέλεξε αλληλουχίες αμινοξέων που θα μπορούσαν να δώσουν αυτά τα σχήματα και προέβλεψε αν κάθε αλληλουχία θα αναδιπλωνόταν πράγματι όπως επιθυμούσαν οι ερευνητές (ProteinMPNN paper). Το λογισμικό περιόρισε ένα τεράστιο πεδίο δυνατοτήτων σε όσες μπορούσαν να κατασκευαστούν και να δοκιμαστούν στο εργαστήριο. Το εργαστήριο έδειξε ποιες λειτουργούσαν.

Το αποτέλεσμα ξεχωρίζει και επειδή οι τελικές πρωτεΐνες έχουν ασυνήθιστη δομή: ο σκελετός που περιβάλλει τη δραστική χημεία δεν μοιάζει με εκείνον των φυσικών πρωτεασών (Nature). Η χημεία είναι δανεισμένη, η πρωτεϊνική δομή που τη συγκρατεί όχι. Η ομάδα το επιβεβαίωσε αναπτύσσοντας κρυστάλλους από ορισμένα σχέδια και μελετώντας την ατομική δομή τους, η οποία συμφωνούσε με τις υπολογιστικές προβλέψεις.

Από τον δοκιμαστικό σωλήνα στο ζωντανό κύτταρο

Οι εργαστηριακές δοκιμές έδειξαν ότι τα σχέδια έκοβαν τους στόχους τους. Η ομάδα προχώρησε και σε δοκιμές μέσα σε κύτταρα θηλαστικών: εισήγαγε τις γενετικές οδηγίες τόσο για τη σχεδιασμένη πρωτεάση όσο και για την πρωτεΐνη-στόχο και στη συνέχεια αναζήτησε ενδείξεις ότι είχε γίνει η κοπή (preprint).

Αυτό το βήμα έχει σημασία επειδή ο δοκιμαστικός σωλήνας είναι ένα επιεικές περιβάλλον. Μέσα σε ένα κύτταρο υπάρχουν πολλά μόρια που ανταγωνίζονται μεταξύ τους, ενώ μια πρωτεΐνη που το κύτταρο δεν αναγνωρίζει μπορεί να αναδιπλωθεί λανθασμένα ή να καταστραφεί. Ένα σχεδιασμένο ένζυμο που επιβιώνει σε αυτό το περιβάλλον και συνεχίζει να λειτουργεί έχει ξεπεράσει ένα ουσιαστικό εμπόδιο.

Χρειάζεται ακρίβεια ως προς το τι σημαίνει το 13 στα 69: οι υποψήφιες πρωτεΐνες δεν ήταν τυχαίες δοκιμές, αλλά είχαν ήδη περάσει από υπολογιστικό φιλτράρισμα και κατόπιν απομονώθηκαν και δοκιμάστηκαν (Nature). Επομένως, το ποσοστό δείχνει πόσο συχνά πετυχαίνει ένα προσεκτικά επιλεγμένο σχέδιο, στοιχείο κρίσιμο για να επαναληφθεί η διαδικασία. Οι περισσότερες προσπάθειες απέτυχαν, ενώ τα νέα ένζυμα είναι λιγότερο δραστικά από τα φυσικά ένζυμα των οποίων τη χημεία μιμούνται (Ars Technica). Οι ερευνητές εκτιμούν ότι οι δραστικές ομάδες τους δεν τοποθετούνται ακόμη με την ακρίβεια που έχει πετύχει η εξέλιξη.

Η πιθανή χρησιμότητα είναι σαφής: πολλές ασθένειες συνδέονται με πρωτεΐνες που επιτελούν βλαβερή λειτουργία, και ένα εργαλείο που θα έκοβε μια συγκεκριμένη πρωτεΐνη θα μπορούσε να την απενεργοποιήσει (GeekWire). Τα πειράματα δείχνουν ότι η γνωστή χημεία κοπής πρωτεϊνών μπορεί να λειτουργήσει μέσα σε νέες, σχεδιασμένες πρωτεϊνικές δομές. Η ιατρική χρήση της δεν έχει ακόμη δοκιμαστεί.