Iš 69 sukurtų proteazių veikia 13

Mokslininkai nuo nulio sukūrė baltymų molekules, galinčias perkirpti pasirinktą kito baltymo grandinės ryšį. Iš 69 išgrynintų ir laboratorijoje patikrintų kandidatų 13 perkirpo numatytą taikinį (Nature). Ląstelės baltymų aktyvumą reguliuoja perkirpdamos juos konkrečiose vietose. Įrankis, leidžiantis tai padaryti pagal poreikį, suteiktų biologams galimybę veikti šį procesą, o ne vien jį stebėti.

Kodėl šį ryšį taip sunku nutraukti

Baltymas – aminorūgščių grandinė, sujungta peptidiniais ryšiais. Patys savaime šie ryšiai skyla itin sunkiai: įdėjus baltymą į neutralų vandenį, jie gali išlikti šimtmečius (Radzicka and Wolfenden).

Vis dėlto ląstelės juos nuolat skaido, pasitelkdamos proteazėmis vadinamus fermentus. Fermentas – baltymas, greitinantis cheminę reakciją, o proteazės specializuojasi skaidyti kitus baltymus. Jų veikimo principas – tikslus išsidėstymas. Reaguojančios cheminės grupės turi būti tinkamu atstumu ir kampu nuo kerpamo ryšio ir pakankamai ilgai išlaikyti šią padėtį, kad įvyktų reakcija. Nanometro dalies paklaida gali visiškai sustabdyti reakciją.

Būtent šį iššūkį sprendė mokslininkų komanda. Naujos chemijos jie nekūrė: perėmė natūralioms cisteino proteazėms būdingą aktyvųjį derinį – sieros turinčią aminorūgštį cisteiną, kurią aktyvina greta esantis histidinas. Tada mėgino aplink šį derinį sukurti naują baltymą, kuris tiksliai išlaikytų reikiamą padėtį (Nature).

Kaip sukurti chemiją išlaikančią formą

Čia prireikė skaičiavimo metodų. Komanda dirbtinio intelekto įrankiais kūrė baltymų formas – trimates struktūras, į kurias susilanksto aminorūgščių grandinė. Tada parinko aminorūgščių sekas, galinčias suformuoti tokias struktūras, ir prognozavo, ar kiekviena seka iš tiesų susilankstys taip, kaip numatyta (ProteinMPNN paper). Programinė įranga iš daugybės galimybių atrinko tuos variantus, kuriuos laboratorija galėjo pagaminti ir išbandyti. Galutinį atsakymą davė bandymai.

Sukurtų baltymų sandara gerokai skiriasi nuo natūralių proteazių (Nature). Perimta chemija, tačiau ją išlaikanti baltymo struktūra – nauja. Tai patvirtino kelių sukurtų baltymų kristalai: iš jų nustatytos atominės struktūros atitiko kompiuterių prognozes.

Nuo mėgintuvėlio iki gyvos ląstelės

Laboratoriniai tyrimai parodė, kad sukurti baltymai kerpa taikinius. Komanda žengė toliau ir išbandė juos žinduolių ląstelėse: į ląsteles įterpė genetines instrukcijas, skirtas ir sukurtai proteazei, ir taikinio baltymui, o paskui ieškojo požymių, kad baltymas buvo perkirptas (preprint).

Šis žingsnis svarbus, nes mėgintuvėlyje sąlygos palankesnės. Ląstelėje gausu kitų molekulių, o baltymas gali netaisyklingai susilankstyti arba būti suskaidytas kaip neatpažįstamas. Sukurtas fermentas, kuris tokioje aplinkoje išlieka ir veikia, įveikia rimtą kliūtį.

Svarbu tiksliai suprasti, ką reiškia santykis 13 iš 69. Tai nebuvo 69 atsitiktiniai bandymai: kandidatus pirmiausia atrinko programinė įranga, o vėliau mokslininkai juos išgrynino ir ištyrė (Nature). Taigi šis skaičius rodo, kaip dažnai pavyksta kruopščiai atrinktas projektas – būtent tai svarbu mėginant procesą pakartoti. Vis dėlto dauguma bandymų buvo nesėkmingi, o sukurtų baltymų aktyvumas mažesnis nei natūralių fermentų, kurių chemiją jie perima (Ars Technica). Mokslininkai mano, kad reaguojančios grupės jų baltymuose dar nėra išdėstytos taip tiksliai, kaip natūraliuose fermentuose, susiformavusiuose per evoliuciją.

Tokio įrankio paskirtis aiški: daugelis ligų susijusios su žalingai veikiančiais baltymais, o galimybė perkirpti pasirinktą baltymą galėtų padėti jį išjungti (GeekWire). Eksperimentai rodo, kad įprastą baltymų skaidymo chemiją galima pritaikyti naujoms, specialiai sukurtoms baltymų struktūroms. Galimybė šį metodą naudoti medicinoje dar neištirta.