13 dintre 69 de proteine proiectate taie ținte

Cercetătorii au proiectat de la zero molecule proteice capabile să taie o legătură aleasă din lanțul altei proteine. Dintre cele 69 de candidate purificate și testate în laborator, 13 au tăiat ținta propusă (Nature). Celulele controlează activitatea proteinelor și prin tăierea lor în anumite locuri. Un instrument care ar face acest lucru la cerere le-ar permite biologilor să intervină în acest proces, nu doar să îl observe.

De ce această legătură se rupe atât de greu

Proteinele sunt lanțuri de aminoacizi uniți prin legături peptidice. Aceste legături se desfac foarte greu de la sine: în apă cu pH neutru, pot rezista secole (Radzicka and Wolfenden).

Celulele le desfac totuși în permanență cu ajutorul unor enzime numite proteaze. O enzimă este o proteină care accelerează o reacție chimică, iar proteazele sunt specializate în tăierea altor proteine. Secretul lor ține de poziționare: grupările chimice reactive trebuie să se afle la o distanță și într-un unghi precise față de legătura vizată și să rămână acolo suficient timp pentru ca reacția să aibă loc. O abatere de o fracțiune de nanometru poate opri complet reacția.

Aceasta a fost dificultatea pe care și-a propus să o rezolve echipa. Cercetătorii nu au inventat o chimie nouă, ci au preluat combinația reactivă folosită de proteazele naturale cu cisteină: aminoacidul cisteină, care conține sulf, activat de o histidină din apropiere. Au încercat apoi să construiască în jurul acestei combinații o proteină nouă, care să țină toate elementele în poziția potrivită (Nature).

Proiectarea unei structuri care să fixeze reacția chimică

Echipa a folosit instrumente de inteligență artificială pentru a inventa forme de proteine, adică structuri tridimensionale în care se pliază lanțurile de aminoacizi. Apoi a ales secvențe de aminoacizi care ar putea produce acele forme și a prezis dacă fiecare secvență s-ar plia conform planului (ProteinMPNN paper). Software-ul a redus o mulțime uriașă de posibilități la un număr de variante pe care laboratorul le putea produce și testa. Rezultatele din laborator au arătat ce a funcționat.

Rezultatul este mai mult decât o copie, pentru că structura proteinelor proiectate este neobișnuită. Arhitectura din jurul centrului reactiv nu seamănă cu cea a proteazelor naturale (Nature). Chimia este preluată din natură, dar structura care o susține este nouă. Echipa a verificat acest lucru obținând cristale din câteva proteine proiectate și analizându-le structurile atomice, care au corespuns predicțiilor computerelor.

De la eprubetă la celula vie

Testele de laborator au arătat că proteinele proiectate își taie țintele. Echipa le-a testat apoi și în celule de mamifere: a introdus instrucțiunile genetice atât pentru proteaza proiectată, cât și pentru proteina țintă, apoi a căutat dovezi că aceasta fusese tăiată (preprint).

Acest pas contează fiindcă eprubeta oferă condiții mai îngăduitoare. Într-o celulă, moleculele sunt înghesuite, iar proteina proiectată poate să se plieze greșit sau să fie distrusă de mecanismele celulei, care nu o recunoaște. O enzimă proiectată care rezistă în acest mediu și își face treaba a trecut un test important.

Cifra de 13 din 69 trebuie interpretată cu grijă. Nu au fost 69 de încercări alese la întâmplare: candidații fuseseră deja selectați cu ajutorul software-ului, apoi purificați și testați (Nature). Așadar, cifra arată cât de des funcționează un proiect ales cu atenție, o măsură relevantă dacă cercetătorii vor să repete procesul. Cele mai multe încercări au eșuat, iar proteinele proiectate sunt mai puțin active decât enzimele naturale a căror chimie o copiază (Ars Technica). Cercetătorii cred că grupările reactive nu sunt încă poziționate la fel de precis ca în enzimele rezultate prin evoluție.

Utilitatea posibilă este clară: multe boli implică o proteină care produce efecte dăunătoare, iar un instrument capabil să taie o proteină aleasă ar putea să o dezactiveze (GeekWire). Experimentele arată că o chimie naturală de tăiere a proteinelor poate funcționa în structuri proteice proiectate de la zero. Utilizarea medicală nu a fost testată.