13 no 69 jaunajām proteāzēm šķeļ mērķa olbaltumvielas

Pētnieki no jauna izveidoja proteīnus, kas spēj pārraut izraudzītu saiti citas olbaltumvielas ķēdē. No 69 attīrītiem kandidātiem, ko pārbaudīja laboratorijā, 13 sašķēla paredzēto mērķi (Nature). Šādi šūnas regulē, kuri proteīni ir aktīvi. Rīks, kas to spētu darīt pēc vajadzības, ļautu biologiem mērķtiecīgi ietekmēt šo sistēmu, nevis tikai to novērot.

Kāpēc šo saiti ir tik grūti pārraut

Olbaltumviela ir aminoskābju ķēde, kuras posmus savieno peptītsaites. Tās pašas no sevis pārtrūkst ļoti nelabprāt: neitrālā ūdenī olbaltumvielas saites var saglabāties gadsimtiem ilgi (Radzicka un Volfendens).

Tomēr šūnas tās nepārtraukti šķeļ ar proteāzēm — enzīmiem, kas specializējas citu olbaltumvielu sašķelšanā. Enzīms ir olbaltumviela, kas paātrina ķīmisku reakciju. Proteāžu darbības pamatā ir precīzs novietojums: reaktīvajām ķīmiskajām grupām jāatrodas noteiktā attālumā un leņķī no pārraujamās saites, un tām šajā pozīcijā jāpaliek pietiekami ilgi, lai notiktu reakcija. Ja novietojums kļūdās pat par niecīgu nanometra daļu, reakcija nenotiek.

Komanda pievērsās tieši šai problēmai. Tā neizgudroja jaunu ķīmiju, bet aizguva dabisko cisteīna proteāžu izmantoto reaktīvo pāri: sēru saturošu aminoskābi cisteīnu, ko aktivizē blakus esošais histidīns. Pētnieki ap šo pāri veidoja jaunu olbaltumvielu, kurai jānotur visas sastāvdaļas vajadzīgajā pozīcijā (Nature).

Veido uzbūvi, kas notur ķīmisko reakciju vajadzīgajā pozīcijā

Komanda izmantoja mākslīgā intelekta rīkus, lai izveidotu olbaltumvielu trīsdimensiju formas — aminoskābju ķēdes salocīto struktūru —, piemeklētu secības, kas, visticamāk, veidotu šīs formas, un prognozētu, vai katra secība patiešām salocīsies, kā iecerēts (ProteinMPNN paper). Programmas sašaurināja milzīgo iespēju loku līdz variantiem, ko varēja izgatavot un pārbaudīt laboratorijā. To, kuri darbojas, noteica eksperiments.

Jaunizveidoto olbaltumvielu uzbūve maz līdzinās dabiskajām proteāzēm (Nature). Aizgūta ir ķīmija, bet ne tās turēšanai paredzētais karkass. Komanda to pārbaudīja, izaudzējot vairāku izstrādāto olbaltumvielu kristālus un nosakot to atomu struktūru. Struktūras atbilda datoru prognozēm.

No mēģenes līdz dzīvas šūnas videi

Laboratorijas testi parādīja, ka izstrādātās proteāzes sašķeļ savus mērķus. Pēc tam komanda tās pārbaudīja arī zīdītāju šūnās. Pētnieki šūnās ievadīja ģenētiskās instrukcijas gan izstrādātajai proteāzei, gan mērķa olbaltumvielai un meklēja pazīmes, ka tā sašķelta (preprint).

Šis solis ir svarīgs, jo mēģene ir pateicīgāka vide nekā šūna. Šūnā ir daudz molekulu, kas savstarpēji konkurē, un olbaltumviela var salocīties nepareizi vai tikt noārdīta, ja šūna to neatpazīst. Izstrādātam enzīmam, kas šādā vidē saglabājas un turpina darboties, jāpārvar būtisks šķērslis.

13 veiksmīgi kandidāti no 69 raksturo rūpīgi atlasītu risinājumu darbības biežumu. Tie nebija nejauši mēģinājumi: programmatūra kandidātus jau bija atlasījusi, un pēc tam tos attīrīja un pārbaudīja (Nature). Šis rādītājs ir svarīgs, lai novērtētu, vai procesu var atkārtot. Lielākā daļa mēģinājumu tomēr neizdevās, un izstrādātās proteāzes darbojas vājāk nekā dabiskie enzīmi, kuru ķīmiju tās atdarina (Ars Technica). Pētnieki uzskata, ka reaktīvās grupas vēl nav novietotas tik precīzi, kā to panākusi evolūcija.

Daudzas slimības saistītas ar olbaltumvielām, kas organismā veic kaitīgu funkciju. Rīks, kas spētu sašķelt izraudzītu olbaltumvielu, varētu palīdzēt šo funkciju pārtraukt (GeekWire). Eksperimenti rāda, ka dabisko proteāžu ķīmiju var īstenot arī jaunās, īpaši izveidotās olbaltumvielu struktūrās. Medicīnisku pielietojumu vēl nav pārbaudījuši.