69 suunnitellusta proteaasista 13 pilkkoi kohteensa

Tutkijat suunnittelivat alusta asti proteiineja, jotka katkaisevat valitun sidoksen toisessa proteiinissa. Laboratoriossa testatuista 69 puhdistetusta proteiiniehdokkaasta 13 katkaisi tarkoitetun kohdan (Nature). Solut säätelevät proteiinien aktiivisuutta katkaisemalla niitä tietyistä kohdista. Työkalu, joka tekisi saman tarvittaessa, antaisi biologeille keinon puuttua tähän järjestelmään.

Miksi sidoksen katkaiseminen on vaikeaa

Proteiini on aminohapoista koostuva ketju, jonka osia yhdistävät peptidisidokset. Ne eivät katkea helposti itsestään: neutraaliin veteen upotettu proteiini voi säilyä ehjänä vuosisatoja (Radzicka ja Wolfenden).

Solut katkaisevat sidoksia silti jatkuvasti proteaaseiksi kutsuttujen entsyymien avulla. Entsyymi nopeuttaa kemiallista reaktiota, ja proteaasit ovat erikoistuneet pilkkomaan muita proteiineja. Niiden toiminta perustuu tarkkaan asemointiin. Reaktiivisten kemiallisten ryhmien on oltava oikealla etäisyydellä ja oikeassa kulmassa katkaistavaan sidokseen nähden, ja niiden on pysyttävä siinä riittävän pitkään. Jo nanometrin murto-osan virhe voi estää reaktion kokonaan.

Tähän tutkijat tarttuivat. He eivät kehittäneet uutta kemiaa, vaan hyödynsivät luonnon kysteiiniproteaasien käyttämää reaktiivista yhdistelmää: rikkiä sisältävää kysteiiniaminohappoa, jonka viereinen histidiini aktivoi. Sen ympärille he pyrkivät rakentamaan uuden proteiinin, joka pitää osat oikeilla paikoillaan (Nature).

Kemiaa kannatteleva rakenne

Tutkijat käyttivät tekoälytyökaluja proteiinien kolmiulotteisten muotojen suunnitteluun. Sen jälkeen he valitsivat aminohapposekvenssejä, joiden pitäisi laskostua haluttuun muotoon, ja ennustivat, laskostuisiko kukin sekvenssi niin kuin oli tarkoitus (ProteinMPNN-tutkimus). Ohjelmistot karsivat valtavasta vaihtoehtojen joukosta proteiineja, jotka voitiin valmistaa ja testata laboratoriossa. Lopulta laboratoriokokeet osoittivat, mitkä niistä toimivat.

Tulos ei ollut pelkkää luonnon kopiointia: valmiiden proteiinien ympäröivä rakenne ei muistuta luonnollisia proteaaseja (Nature). Kemia lainattiin, mutta sitä kannatteleva rakenne suunniteltiin uudelleen. Tutkijat vahvistivat tämän kiteyttämällä useita suunnitelmia ja selvittämällä niiden atomirakenteet. Rakenteet vastasivat tietokoneiden ennusteita.

Koeputkesta elävään soluun

Laboratoriokokeissa suunnitellut proteiinit katkaisivat kohteitaan. Tutkijat testasivat niitä myös nisäkässoluissa: soluihin vietiin sekä suunnitellun proteaasin että kohdeproteiinin valmistusohjeet, minkä jälkeen etsittiin merkkejä proteiinin katkeamisesta (esijulkaisu).

Solussa testi on koeputkea vaativampi. Solu on täynnä muita molekyylejä, ja se voi laskostaa väärin tai hajottaa proteiinin, jota se ei tunnista. Suunnitellun entsyymin selviytyminen solussa ja toimiminen siellä osoittavat, että se läpäisee tärkeän kokeen.

Luku 13 tulosta 69:stä vaatii täsmennystä. Kyse ei ollut 69 satunnaisesta yrityksestä: ohjelmisto oli jo karsinut ehdokkaat, jotka sitten puhdistettiin ja testattiin (Nature). Luku kertoo siis, kuinka usein huolellisesti valittu suunnitelma toimii, mikä on olennaista, jos menetelmää halutaan käyttää uudelleen. Useimmat yritykset epäonnistuivat, ja suunnitellut proteiinit toimivat heikommin kuin luonnolliset entsyymit, joiden kemiaa ne jäljittelevät (Ars Technica). Tutkijat arvioivat, etteivät reaktiiviset ryhmät vielä asetu yhtä tarkasti kuin evoluution muovaamissa entsyymeissä.

Menetelmällä voisi olla käyttöä, sillä moniin sairauksiin liittyy haitallisesti toimiva proteiini. Kohteeseen valikoivasti vaikuttava leikkuri voisi sammuttaa sen toiminnan (GeekWire). Kokeet osoittavat, että tuttua proteiineja pilkkovaa kemiaa voidaan käyttää uusissa, suunnitelluissa proteiinirakenteissa. Lääketieteellistä käyttöä ei ole vielä testattu.