13 z 69 zaprojektowanych proteaz działa

Komórki regulują aktywność białek, przecinając ich łańcuchy w wybranych miejscach. Narzędzie, które robiłoby to na żądanie, pozwoliłoby biologom ingerować w ten proces, a nie tylko go obserwować. Naukowcy zaprojektowali od podstaw cząsteczki białkowe zdolne do takiego cięcia. W testach laboratoryjnych zadziałało 13 spośród 69 oczyszczonych kandydatów (Nature).

Dlaczego tak trudno rozerwać to wiązanie

Białko to łańcuch aminokwasów połączonych wiązaniami peptydowymi. Są wyjątkowo trwałe: w wodzie o obojętnym odczynie mogą przetrwać całe stulecia (Radzicka and Wolfenden).

Komórki mimo to nieustannie je przecinają, korzystając z enzymów zwanych proteazami. Enzym to białko przyspieszające reakcję chemiczną; proteazy specjalizują się w cięciu innych białek. Kluczowe jest precyzyjne ustawienie: grupy chemiczne uczestniczące w reakcji muszą znaleźć się w określonej odległości i pod właściwym kątem względem przecinanego wiązania, a potem utrzymać tę pozycję dostatecznie długo. Pomyłka o ułamek nanometra wystarczy, by reakcja w ogóle nie zaszła.

Na tym polegało wyzwanie dla zespołu. Naukowcy nie wymyślali nowej chemii, lecz wykorzystali układ znany z naturalnych proteaz cysteinowych: aminokwas cysteinę, której atom siarki aktywuje sąsiednia histydyna. Następnie próbowali zbudować wokół niego całkiem nowe białko, które utrzymałoby wszystkie elementy we właściwym miejscu (Nature).

Jak zaprojektować strukturę, która ustawi reakcję

Zespół korzystał z narzędzi AI, by zaprojektować kształty białek, czyli trójwymiarowe struktury, w jakie zwijają się łańcuchy aminokwasów. Potem dobierał sekwencje aminokwasów, które mogłyby tworzyć te struktury, i przewidywał, czy rzeczywiście będą się tak zwijać (ProteinMPNN paper). Oprogramowanie zawęziło ogromną liczbę możliwości do projektów, które można było wytworzyć i przetestować. O powodzeniu rozstrzygnęły eksperymenty laboratoryjne.

Zaprojektowane białka mają też nieznaną z natury budowę: ich struktura nie przypomina naturalnych proteaz (Nature). Zapożyczona jest chemia reakcji, nie białkowy szkielet, który ją podtrzymuje. Zespół potwierdził to, hodując kryształy kilku zaprojektowanych białek i ustalając ich struktury atomowe. Zgadzały się one z przewidywaniami komputerowymi.

Od probówki do żywej komórki

Testy laboratoryjne wykazały, że zaprojektowane białka przecinają wybrane cele. Zespół sprawdził je także w komórkach ssaków: wprowadził do nich instrukcje genetyczne dla zaprojektowanej proteazy i białka docelowego, a następnie szukał śladów cięcia (preprint).

Probówka stawia mniej wymagań niż komórka. W jej wnętrzu panuje tłok, cząsteczki konkurują ze sobą, a komórka może źle złożyć białko, którego nie rozpoznaje, albo je zniszczyć. Enzym, który przetrwa w takim środowisku i nadal działa, pokonuje istotną przeszkodę.

Wyniku 13 na 69 nie należy odczytywać jako odsetka sukcesu wśród przypadkowych pomysłów. Kandydatów najpierw wybrało oprogramowanie, a potem oczyszczono ich i przetestowano (Nature). Ta liczba pokazuje więc, jak często działa projekt po wstępnej selekcji — miarę ważną, jeśli proces ma być powtarzany. Mimo niej większość prób się nie powiodła, a zaprojektowane enzymy działają słabiej niż naturalne proteazy, których chemię naśladują (Ars Technica). Zdaniem badaczy grupy reagujące nie są jeszcze ustawione tak precyzyjnie, jak potrafi to osiągnąć ewolucja.

W wielu chorobach szkodliwe skutki wywołuje konkretne białko. Narzędzie, które przecinałoby wybrany cel, mogłoby posłużyć do wyłączenia jego działania (GeekWire). Eksperymenty pokazują, że znana chemia cięcia białek może działać w nowo zaprojektowanych strukturach. Zastosowania medyczne pozostają jednak niesprawdzone.