Funzionano 13 proteasi progettate su 69

I ricercatori hanno progettato da zero molecole proteiche capaci di recidere un legame scelto nella catena di un’altra proteina: tra i 69 candidati purificati e sottoposti a test in laboratorio, 13 hanno tagliato il bersaglio previsto (Nature). Recidere una proteina in un punto preciso è il modo in cui le cellule regolano quali proteine siano attive; uno strumento capace di farlo su richiesta permetterebbe ai biologi di intervenire in questo sistema, invece di limitarsi a osservarlo.

Perché è così difficile spezzare questo legame

Una proteina è una catena di amminoacidi uniti da legami peptidici, che si rompono con estrema difficoltà spontaneamente: immersi in acqua neutra, i legami possono resistere per secoli (Radzicka and Wolfenden).

Eppure le cellule li spezzano di continuo grazie a enzimi chiamati proteasi. Un enzima accelera una reazione chimica; le proteasi sono specializzate nel tagliare altre proteine. Il loro segreto sta nel posizionamento: perché la reazione avvenga, i gruppi chimici reattivi devono trovarsi alla distanza e all’angolazione giuste rispetto al legame da recidere, e restarvi abbastanza a lungo. Basta che la geometria sia errata anche solo per una frazione di nanometro perché non accada nulla.

È questa la vera difficoltà affrontata dal gruppo. I ricercatori non hanno inventato una nuova chimica, ma hanno ripreso la combinazione reattiva già usata dalle cisteina-proteasi naturali, in cui una cisteina, amminoacido contenente zolfo, viene attivata da un’istidina vicina; hanno quindi provato a costruire intorno a essa una proteina del tutto nuova, capace di mantenere ogni elemento nella posizione necessaria (Nature).

Progettare una struttura che mantenga in posizione la chimica

Il gruppo ha usato strumenti di IA per inventare forme proteiche, cioè le strutture tridimensionali che assumono le catene di amminoacidi quando si ripiegano, scegliere sequenze di amminoacidi che potessero produrle e infine prevedere se ogni sequenza si sarebbe ripiegata nella forma desiderata (ProteinMPNN paper). Il software ha ristretto un’enorme gamma di possibilità a quelle che un laboratorio poteva realizzare e sottoporre a test; gli esperimenti hanno poi stabilito quali funzionassero.

A distinguere il risultato da una semplice copia è l’aspetto insolito delle proteine ottenute: la struttura che circonda il sito attivo non somiglia a quella delle proteasi naturali (Nature). La chimica è ripresa dalla natura, l’impalcatura che la sostiene no. Il gruppo lo ha verificato facendo crescere cristalli di alcuni progetti e determinandone la struttura atomica, che corrispondeva a quella prevista dai modelli al computer.

Dalla provetta alla cellula vivente

I test di laboratorio hanno mostrato che le proteine progettate tagliavano i bersagli; il gruppo ha poi compiuto un passo ulteriore, mettendole alla prova in cellule di mammifero. I ricercatori hanno introdotto nelle cellule le istruzioni genetiche per la proteasi progettata e per una proteina bersaglio, quindi hanno cercato tracce del taglio (preprint).

Questo passaggio conta perché la provetta offre condizioni favorevoli, mentre una cellula è affollata e piena di molecole in competizione; inoltre, una proteina che l’organismo non riconosce può ripiegarsi male o essere degradata. Un enzima progettato che resista in quell’ambiente e riesca comunque a svolgere il proprio compito supera un ostacolo concreto.

Il dato di 13 su 69 va letto con precisione: i candidati non erano stati scelti a caso, ma già selezionati dal software, poi purificati e sottoposti a test (Nature). Il dato indica dunque con quale frequenza funziona un progetto selezionato con cura, la misura utile per capire se si possa ripetere la procedura. La maggior parte dei tentativi è comunque fallita e le proteine progettate sono meno attive degli enzimi naturali da cui riprendono la chimica (Ars Technica). I ricercatori ritengono che i gruppi reattivi non siano ancora disposti con la precisione raggiunta dall’evoluzione.

L’idea potrebbe avere applicazioni evidenti: molte malattie coinvolgono proteine che svolgono un’attività dannosa e uno strumento capace di tagliare una proteina scelta permetterebbe di inattivarla (GeekWire). Gli esperimenti mostrano che la chimica già nota per tagliare le proteine può funzionare anche in strutture proteiche progettate da zero; un impiego medico resta da verificare.