Tarčne beljakovine cepi 13 od 69 zasnovanih proteinov

Raziskovalci so od začetka zasnovali beljakovinske molekule, ki prerežejo izbrano vez v drugi beljakovini. Od 69 prečiščenih kandidatov, ki so jih preizkusili v laboratoriju, jih je 13 prerezalo predvideno tarčo (Nature). Celice z rezanjem beljakovin na izbranih mestih uravnavajo njihovo aktivnost. Orodje, ki bi to počelo na zahtevo, bi biologom omogočilo poseči v ta sistem, namesto da bi ga zgolj opazovali.

Zakaj je to vez tako težko pretrgati

Beljakovina je veriga aminokislin, povezanih s peptidnimi vezmi. Te vezi se same od sebe zelo nerade pretrgajo: če beljakovino damo v vodo z nevtralnim pH, lahko ostanejo sklenjene še stoletja (Radzicka and Wolfenden).

Celice jih kljub temu nenehno trgajo z encimi, imenovanimi proteaze. Encim je beljakovina, ki pospeši kemijsko reakcijo, proteaze pa so specializirane za rezanje drugih beljakovin. Njihovo delovanje je odvisno od natančne razporeditve: reaktivne kemijske skupine morajo biti od vezi, ki jo režejo, oddaljene za pravo razdaljo in postavljene pod pravim kotom. V tem položaju morajo ostati dovolj dolgo, da se reakcija zgodi. Že napaka v geometriji za del nanometra lahko prepreči vsakršno reakcijo.

Prav to je bil osrednji izziv ekipe. Raziskovalci niso razvili nove kemije, ampak so uporabili kombinacijo reaktivnih skupin, ki jo poznajo naravne cisteinske proteaze: žveplo vsebujočo aminokislino cistein, ki jo aktivira bližnji histidin. Nato so poskusili okoli nje zgraditi povsem novo beljakovino, ki bi vse te skupine držala na mestu (Nature).

Oblika, ki ohranja kemijo na mestu

Računalniški del raziskave je potekal v več korakih. Raziskovalci so z orodji umetne inteligence zasnovali oblike beljakovin, torej tridimenzionalne strukture, v katere se zvije veriga aminokislin. Nato so izbirali zaporedja aminokislin, ki bi lahko ustvarila te oblike, in napovedovali, ali se bo posamezno zaporedje res zvilo po načrtu (ProteinMPNN paper). Programska oprema je veliko število možnosti skrčila na izbor, ki ga je bilo mogoče izdelati in preizkusiti v laboratoriju. O tem, kaj deluje, so odločili poskusi.

Rezultat je zanimiv tudi zato, ker končne beljakovine po zgradbi niso podobne naravnim proteazam (Nature). Kemijo so si sposodili, ogrodje, ki jo drži na mestu, pa so zasnovali na novo. To so preverili tako, da so nekatere zasnove kristalizirali in določili njihovo atomsko zgradbo. Ta se je ujemala z računalniškimi napovedmi.

Od epruvete do žive celice

Laboratorijski poskusi so pokazali, da zasnovane proteaze režejo svoje tarče. Raziskovalci so jih nato preizkusili še v celicah sesalcev. V celice so vnesli genska navodila za zasnovano proteazo in ciljno beljakovino, nato pa iskali znake, da je prišlo do reza (preprint).

Ta korak je pomemben, ker je epruveta razmeroma prizanesljivo okolje. Celica je natrpana, v njej tekmujejo številne molekule, beljakovina, ki je celica ne prepozna, pa se lahko napačno zvije ali pa jo celica razgradi. Zasnovani encim, ki v takem okolju preživi in še vedno deluje, je prestal pomembno preizkušnjo.

Pri številki 13 od 69 je treba upoštevati, da kandidati niso bili izbrani naključno: programska oprema jih je že predhodno razvrstila, nato pa so jih prečistili in preizkusili (Nature). Ta rezultat torej pove, kako pogosto uspe skrbno izbrana zasnova, kar je pomembno, če želijo raziskovalci postopek ponoviti. Večina poskusov je bila še vedno neuspešnih, zasnovane proteaze pa so manj dejavne od naravnih encimov, katerih kemijo posnemajo (Ars Technica). Raziskovalci menijo, da njihove reaktivne skupine še niso tako natančno postavljene, kot jih zna razporediti evolucija.

Zamisel je jasna: pri številnih boleznih škodo povzroča beljakovina s škodljivim delovanjem, zato bi orodje za rezanje izbrane beljakovine omogočilo, da jo izključijo (GeekWire). Poskusi kažejo, da lahko znana kemija za rezanje beljakovin deluje tudi v na novo zasnovanih beljakovinskih oblikah. Njena uporaba v medicini še ni bila preizkušena.