69 kavandatud valgulõikurist töötas 13

Teadlased kavandasid algusest peale valgumolekulid, mis lõikavad teise valgu ahela läbi valitud kohast. Laboris katsetatud 69 puhastatud kandidaadist 13 lõikas soovitud sihtmärki (Nature). Valgu lõikamine kindlast kohast aitab rakkudel reguleerida, millised valgud on aktiivsed. Kui seda saaks teha vajaduse järgi, saaksid bioloogid seda süsteemi mõjutada, mitte üksnes jälgida.

Miks on seda sidet nii raske lõhkuda

Valk koosneb aminohapete ahelast, mida hoiavad koos peptiidsidemed. Need sidemed ei lagune iseenesest kuigi hõlpsalt: neutraalsesse vette pandud valgu sidemed võivad püsida sajandeid (Radzicka and Wolfenden).

Rakud lõhuvad neid sidemeid pidevalt ensüümide ehk keemilisi reaktsioone kiirendavate valkude abil. Proteaasid on ensüümid, mis lõikavad teisi valke. Nende töö sõltub täpsest paigutusest: reaktsioonis osalevad keemilised rühmad peavad asuma lõigatava sideme suhtes õigel kaugusel ja õige nurga all ning püsima seal piisavalt kaua. Kui geomeetria erineb kasvõi murdosa nanomeetri võrra, ei pruugi reaktsioon üldse toimuda.

See oligi töörühma peamine ülesanne. Nad lähtusid looduslike tsüsteiinproteaaside keemiast: väävlit sisaldav aminohape tsüsteiin saab reaktsioonivõimeliseks naabruses asuva histidiini abil. Selle kombinatsiooni ümber kavandasid teadlased uue valgu, mis hoiaks vajalikud osad paigal (Nature).

Keemiale sobiva valgu kuju kavandamine

Arvutuslikus etapis kasutas töörühm tehisintellekti valkude ruumilise kuju loomiseks, seejärel aminohappejärjestuste valimiseks, mis tõenäoliselt annavad soovitud kuju, ja lõpuks ennustamiseks, kas iga järjestus ka tegelikult nii voltub (ProteinMPNN paper). Tarkvara sõelus suure hulga võimalusi, et leida need, mida saab laboris valmistada ja katsetada. Millised neist töötavad, selgus katsetes.

Valmis valkude ehitus erineb looduslike proteaaside omast (Nature). Looduslikelt ensüümidelt pärineb keemia, kuid seda kandeva valgu karkassi kavandas töörühm ise. Teadlased kasvatasid mitmest kavandist kristallid ja määrasid nende aatomstruktuuri. See vastas arvutite ennustustele.

Katseklaasist elusrakku

Laborikatsed näitasid, et kavandid lõikavad sihtvalke. Seejärel katsetas töörühm neid imetajarakkudes. Rakkudesse viidi nii kavandatud proteaasi kui ka sihtvalgu tootmiseks vajalik geneetiline juhis ning otsiti märke valgu lõikumisest (preprint).

Katseklaasis on tingimused rakuga võrreldes soodsamad. Rakk on tihedalt täis eri molekule, mis konkureerivad omavahel; lisaks võib rakk võõra valgu valesti voltida või lagundada. Sellises keskkonnas püsiv ja toimiv kavandatud ensüüm on ületanud olulise takistuse.

Tulemust 13 edukat kavandit 69-st tuleb vaadata õiges kontekstis: kandidaadid olid esmalt tarkvaraga välja valitud, seejärel puhastatud ja katsetatud (Nature). Seega näitab see osakaal, kui sageli toimib hoolikalt valitud kavand. Just see näitaja on oluline, kui protsessi soovitakse korrata. Enamik katsetest siiski ebaõnnestus ning kavandatud proteaasid on vähem aktiivsed kui looduslikud ensüümid, mille keemiat nad kasutavad (Ars Technica). Teadlaste hinnangul ei paikne reaktsioonirühmad veel sama täpselt kui evolutsiooni käigus kujunenud ensüümides.

Ideel on võimalik meditsiiniline rakendus: paljude haiguste korral teeb mõni valk organismis kahjulikku tööd ning selle valgu sihipärane lõikamine võiks selle toime peatada (GeekWire). Katsed näitavad, et tuttav valgulõikamise keemia toimib ka uue kujuga kavandatud valkudes. Meditsiinilist kasutust pole veel katsetatud.