13 od 69 dizajniranih proteaza reže ciljne proteine

Istraživači su od početka osmislili proteinske molekule koje mogu presjeći odabranu vezu u drugom proteinu. Od 69 pročišćenih kandidata koje su testirali u laboratoriju, njih 13 prerezalo je predviđenu metu (Nature). Stanice presijecanjem proteina na određenim mjestima kontroliraju koji su proteini aktivni. Alat koji bi to mogao učiniti na zahtjev omogućio bi biolozima da utječu na taj sustav, umjesto da ga samo promatraju.

Zašto je tu vezu tako teško prekinuti

Protein je lanac aminokiselina povezanih peptidnim vezama. Te se veze same od sebe iznimno teško prekidaju: protein uronjen u vodu neutralne kiselosti može ih zadržati stoljećima (Radzicka i Wolfenden).

Stanice ih ipak neprestano prekidaju pomoću enzima zvanih proteaze. Enzim je protein koji ubrzava kemijsku reakciju, a proteaze su enzimi specijalizirani za rezanje drugih proteina. Ključ je u preciznom položaju: reaktivne kemijske skupine moraju se naći na točnoj udaljenosti i pod točnim kutom od veze koju treba prekinuti, i ondje ostati dovoljno dugo da se reakcija odvije. Pogreška od djelića nanometra može biti dovoljna da se ne dogodi ništa.

Upravo su taj izazov istraživači pokušali riješiti. Nisu izmislili novu kemiju, nego su preuzeli reaktivnu kombinaciju koju koriste prirodne cisteinske proteaze: aminokiselinu cistein koja sadržava sumpor, a aktivira je susjedni histidin. Oko te su kombinacije pokušali izgraditi potpuno nov protein koji bi sve držao na mjestu (Nature).

Oblik koji drži kemijske skupine na mjestu

Tu nastupa računalni dio istraživanja. Tim je pomoću alata umjetne inteligencije osmislio oblike proteina, odnosno trodimenzionalne strukture u koje se savijaju lanci aminokiselina. Zatim je odabrao aminokiselinske nizove za koje se očekivalo da će tvoriti te oblike te predvidio hoće li se doista tako saviti (rad o alatu ProteinMPNN). Računalni su programi suzili golemo polje mogućnosti na broj proteina koje je laboratorij mogao izraditi i testirati. O tome što doista djeluje odlučili su pokusi.

Rezultat je zanimljiv i zato što gotovi proteini izgledaju drukčije od prirodnih proteaza: njihove okolne strukture ne nalikuju prirodnim enzimima (Nature). Preuzeli su njihovu kemiju, ali ne i strukturu koja je drži na mjestu. Tim je to potvrdio uzgojem kristala nekoliko osmišljenih proteina i određivanjem njihovih atomskih struktura, koje su odgovarale računalnim predviđanjima.

Iz epruvete u živu stanicu

Laboratorijski testovi pokazali su da osmišljeni proteini režu svoje mete, a tim ih je potom ispitao i u stanicama sisavaca. U stanice su unijeli genetske upute za osmišljenu proteazu i ciljni protein, a zatim tražili znakove da je došlo do rezanja (predobjava).

Taj je korak važan jer su uvjeti u epruveti blagi u usporedbi s onima u stanici. Stanica je prepuna molekula koje se međusobno natječu, a protein koji ne prepozna može se pogrešno saviti ili razgraditi. Osmišljeni enzim koji preživi u takvom okruženju i nastavi djelovati prošao je ozbiljnu provjeru.

Treba precizno tumačiti rezultat od 13 uspješnih kandidata među 69. Nije riječ o 69 nasumičnih pokušaja: računalni su programi prethodno odabrali kandidate, koje su istraživači potom pročistili i testirali (Nature). Taj broj zato pokazuje koliko često uspije pažljivo odabran dizajn, što je važno ako se postupak želi ponoviti. Većina je pokušaja ipak bila neuspješna, a osmišljeni proteini djeluju slabije od prirodnih enzima čiju kemiju oponašaju (Ars Technica). Istraživači smatraju da njihove reaktivne skupine još nisu postavljene tako precizno kao u proteinima koje je oblikovala evolucija.

Moguća je primjena privlačna: mnoge bolesti uključuju protein koji štetno djeluje, pa bi alat za rezanje odabranog proteina mogao poslužiti za njegovo isključivanje (GeekWire). Pokusi pokazuju da se poznata kemija rezanja proteina može uklopiti u novostvorene proteinske strukture. Moguća primjena u medicini još nije ispitana.