Fungovalo 13 z 69 návrhov proteínových nožníc

Vedci od základu navrhli proteínové molekuly, ktoré dokážu štiepiť vybranú väzbu v reťazci iného proteínu. Z 69 purifikovaných kandidátov, ktoré otestovali v laboratóriu, 13 rozštiepilo zamýšľaný cieľ (Nature). Bunky regulujú aktivitu proteínov tým, že ich štiepia na konkrétnych miestach. Nástroj, ktorý by to dokázal na povel, by biológom umožnil do tohto systému zasiahnuť, nielen ho pozorovať.

Prečo sa táto väzba tak ťažko štiepi

Proteín tvorí reťazec aminokyselín spojených peptidovými väzbami. Tie sa samovoľne štiepia len veľmi ťažko: v neutrálnej vode môžu vydržať celé stáročia (Radzicka and Wolfenden).

Bunky ich napriek tomu neustále štiepia pomocou enzýmov nazývaných proteázy. Enzým je bielkovina, ktorá urýchľuje chemickú reakciu; proteázy sa špecializujú na štiepenie iných proteínov. Ich účinnosť závisí od presného usporiadania: reaktívne chemické skupiny musia byť v správnej vzdialenosti a pod správnym uhlom od väzby, ktorú majú rozštiepiť. V tejto polohe musia vydržať dostatočne dlho, aby reakcia prebehla. Ak sa ich poloha líši čo i len o zlomok nanometra, reakcia vôbec nenastane.

Práve to bola výzva, ktorú si tím stanovil. Novú chémiu nevymýšľal. Využil reaktívnu dvojicu, ktorú používajú prirodzené cysteínové proteázy: aminokyselinu cysteín obsahujúcu síru, ktorú aktivuje susedný histidín. Okolo nej sa pokúsil vytvoriť úplne nový proteín, ktorý udrží všetky zložky na mieste (Nature).

Navrhnúť tvar, ktorý udrží chémiu

Tu vstupujú do hry výpočtové metódy. Tím použil nástroje umelej inteligencie na návrh tvarov proteínov, teda trojrozmernej podoby, do ktorej sa poskladá reťazec aminokyselín. Potom vyberal aminokyselinové sekvencie, ktoré mali tieto tvary vytvoriť, a predpovedal, či sa každá sekvencia skutočne poskladá podľa očakávania (ProteinMPNN paper). Softvér zúžil obrovské množstvo možností na návrhy, ktoré sa dali vyrobiť a otestovať v laboratóriu. O tom, čo fungovalo, rozhodli experimenty.

Výsledné proteíny sa od prirodzených proteáz líšia stavbou. Spojením známej chémie s novou proteínovou kostrou vytvoril tím štruktúry, ktoré sa na prirodzené proteázy nepodobajú (Nature). Overil si to tak, že vypestoval kryštály niekoľkých návrhov a určil ich atómovú štruktúru. Tá sa zhodovala s predpoveďami počítačov.

Od skúmavky k živej bunke

Laboratórne testy ukázali, že navrhnuté proteíny štiepia svoje ciele. Tím ich potom otestoval aj v bunkách cicavcov. Do buniek vložil genetické inštrukcie na výrobu navrhnutej proteázy aj cieľového proteínu a následne zisťoval, či došlo k jeho rozštiepeniu (predtlač).

Tento krok je dôležitý, pretože skúmavka poskytuje oveľa priaznivejšie podmienky. Bunka je preplnená molekulami, ktoré si konkurujú, a proteín, ktorý nerozpozná, môže nesprávne poskladať alebo zničiť. Navrhnutý enzým, ktorý v takom prostredí prežije a naďalej funguje, prekonal podstatnú prekážku.

Údaj 13 zo 69 treba čítať v kontexte: nešlo o náhodne vybrané pokusy. Kandidátov najprv vytriedil softvér a až potom ich tím purifikoval a otestoval (Nature). Číslo teda ukazuje, ako často sa osvedčí starostlivo vybraný návrh, čo je dôležité pri opakovaní celého postupu. Väčšina pokusov stále zlyhala a navrhnuté enzýmy sú menej aktívne než prirodzené proteázy, ktorých chémiu napodobňujú (Ars Technica). Vedci sa domnievajú, že reaktívne skupiny zatiaľ nedokážu umiestniť tak presne ako evolúcia.

Mnohé ochorenia súvisia s proteínom, ktorý v tele škodí. Nástroj schopný prestrihnúť konkrétny proteín by ho mohol vypnúť (GeekWire). Experimenty ukázali, že známa chémia štiepenia proteínov môže fungovať aj v novonavrhnutých štruktúrach. Využitie v medicíne zatiaľ neotestovali.