13 van 69 ontworpen eiwitknippers werken

Onderzoekers ontwierpen vanaf nul eiwitten die een gekozen binding in een ander eiwit kunnen doorknippen. Van 69 gezuiverde kandidaten die ze in het lab testten, knipten er 13 het beoogde doelwit (Nature). Cellen bepalen mede welke eiwitten actief zijn door ze op specifieke plekken door te knippen. Een hulpmiddel dat dit op verzoek doet, zou biologen in staat stellen dat systeem gericht te beïnvloeden.

Waarom deze binding zo moeilijk te verbreken is

Een eiwit is een keten van aminozuren die met peptidebindingen aan elkaar zitten. Die bindingen komen niet makkelijk vanzelf los: in neutraal water kan een eiwit eeuwenlang intact blijven (Radzicka and Wolfenden).

Cellen verbreken die bindingen toch voortdurend met enzymen die proteasen heten. Een enzym is een eiwit dat een chemische reactie versnelt. Proteasen zijn gespecialiseerd in het knippen van andere eiwitten. Hun kunst is de juiste positionering. De reactieve groepen moeten op precies de juiste afstand en onder de juiste hoek van de te verbreken binding staan, en lang genoeg op hun plek blijven om de reactie mogelijk te maken. Staan ze een fractie van een nanometer verkeerd, dan gebeurt er niets.

Daar lag de echte uitdaging voor het team. De onderzoekers bedachten geen nieuwe chemie, maar namen de reactieve combinatie over die natuurlijke cysteïneproteasen gebruiken: een zwavelhoudend cysteïne-aminozuur dat door een naburige histidine wordt geactiveerd. Daaromheen bouwden ze een geheel nieuw eiwit dat de onderdelen op hun plek moest houden (Nature).

Een vorm ontwerpen die de chemie op haar plek houdt

Voor het rekenwerk gebruikte het team AI om eiwitvormen te ontwerpen: de driedimensionale structuur die een aminozuurketen aanneemt wanneer die zich opvouwt. Vervolgens zochten de onderzoekers aminozuurvolgorden die waarschijnlijk zo’n vorm opleveren, en voorspelden ze of de eiwitten inderdaad op de gewenste manier zouden vouwen (ProteinMPNN-studie). De software bracht een enorm aantal mogelijkheden terug tot ontwerpen die het lab kon maken en testen. Uiteindelijk wees het experiment uit welke werkten.

De ontworpen eiwitten hebben een architectuur die sterk afwijkt van die van natuurlijke proteasen (Nature). De chemie is ontleend aan de natuur; het eiwitskelet dat de reactie mogelijk maakt, is nieuw. Dat bevestigden de onderzoekers door van verschillende ontwerpen kristallen te laten groeien en hun atoomstructuur af te leiden. Die kwam overeen met de voorspellingen van de computers.

Van reageerbuis naar levende cel

Labtests lieten zien dat de ontwerpen hun doelwitten konden knippen. Daarna testte het team ze ook in zoogdiercellen. De onderzoekers brachten de genetische instructies voor zowel het ontworpen protease als een doeleiwit in de cellen en zochten naar aanwijzingen dat het eiwit was doorgeknipt (preprint).

Dat is een relevante stap, want in een reageerbuis zijn de omstandigheden gunstig. Een cel is dichtbevolkt en moleculen concurreren er met elkaar. Een eiwit kan er verkeerd vouwen of worden afgebroken als de cel het niet herkent. Een ontworpen enzym dat in die omgeving standhoudt en toch zijn werk doet, heeft een serieuze test doorstaan.

De uitkomst vraagt om een precieze duiding. De 69 kandidaten waren al door software geselecteerd voordat ze werden gezuiverd en getest (Nature). Het cijfer laat dus zien hoe vaak een zorgvuldig geselecteerd ontwerp werkt. Dat is relevant als de onderzoekers de procedure opnieuw willen uitvoeren. De meeste pogingen mislukten alsnog, en de ontwerpen zijn minder actief dan de natuurlijke enzymen waarvan ze de chemie overnemen (Ars Technica). Volgens de onderzoekers staan de reactieve groepen nog niet zo precies opgesteld als bij enzymen die door evolutie zijn ontstaan.

Bij veel ziekten speelt een eiwit een schadelijke rol. Een hulpmiddel dat een gekozen eiwit kan doorknippen, zou het kunnen uitschakelen (GeekWire). De experimenten laten zien dat bekende eiwitknipchemie ook in nieuw ontworpen eiwitvormen kan werken. Medische toepassingen zijn nog niet getest.