13 av 69 konstruerade proteinklyvare fungerar

Forskare har konstruerat proteinmolekyler som klyver en utvald bindning i ett annat protein. Av 69 renade kandidater som testades i laboratoriet klyvde 13 det avsedda målet (Nature). Celler styr vilka proteiner som är aktiva genom att klyva dem på bestämda ställen. Ett verktyg som gör det på begäran skulle ge biologer möjlighet att påverka den processen.

Varför peptidbindningen är så svår att bryta

Proteiner består av kedjor av aminosyror som hålls ihop av peptidbindningar. De är mycket svåra att bryta spontant: lägger man ett protein i neutralt vatten kan bindningarna bestå i århundraden (Radzicka and Wolfenden).

Celler klyver ändå proteiner hela tiden, med hjälp av enzymer som kallas proteaser. Ett enzym är ett protein som påskyndar en kemisk reaktion; proteaser är specialiserade på att klyva andra proteiner. De får det att fungera genom precision i placeringen. De reaktiva kemiska grupperna måste hamna på exakt rätt avstånd och i rätt vinkel till bindningen som ska klyvas, och hållas där tillräckligt länge för att reaktionen ska ske. En avvikelse på bara en bråkdel av en nanometer kan räcka för att reaktionen ska utebli.

Det var den utmaningen forskargruppen tog sig an. Utgångspunkten var den reaktiva kombination som naturliga cysteinproteaser använder: aminosyran cystein, som innehåller svavel, aktiveras av en närliggande histidin. Forskarna försökte bygga ett helt nytt protein kring den kombinationen, så att allt hölls på plats (Nature).

Så konstruerades en form som håller kemin på plats

Forskarna använde AI-verktyg för att utforma proteinernas tredimensionella strukturer, välja aminosyrasekvenser som sannolikt skulle ge dessa former och förutsäga om sekvenserna faktiskt skulle veckas som avsett (ProteinMPNN paper). Programvaran sållade fram kandidater ur ett enormt antal möjligheter, så att de kunde tillverkas och testas i labbet. Det var laboratorieförsöken som visade vilka som fungerade.

De färdiga proteinerna ser inte ut som naturliga proteaser (Nature). Forskarna lånade kemin men byggde en ny proteinstomme runt den. De bekräftade strukturerna genom att framställa kristaller av flera konstruktioner och bestämma deras atomstrukturer. Dessa stämde med datorernas förutsägelser.

Från provrör till levande cell

Laboratorietester visade att konstruktionerna klyvde sina mål. Forskarna tog sedan steget att testa dem i däggdjursceller. De förde in de genetiska instruktionerna för både det designade proteaset och ett målprotein och letade efter tecken på att proteinet hade klyvts (preprint).

Ett provrör är en förlåtande miljö. I en cell trängs molekyler, och ett protein som cellen inte känner igen kan veckas fel eller brytas ned. Ett konstruerat enzym som klarar den miljön och ändå fungerar har passerat en viktig prövning.

Siffran 13 av 69 beskriver träffsäkerheten bland kandidater som redan hade valts ut med programvara, renats och testats (Nature). Den visar alltså hur ofta en utvald konstruktion fungerar, vilket är relevant om metoden ska användas på nytt. De flesta försöken misslyckades fortfarande, och konstruktionerna är mindre aktiva än de naturliga enzymer vars kemi de bygger på (Ars Technica). Forskarna tror att de reaktiva grupperna ännu inte placeras lika precist som de gör genom evolutionen.

Många sjukdomar innebär att ett protein utför en skadlig funktion. Ett verktyg som kan klyva ett utvalt protein skulle kunna stänga av den (GeekWire). Experimenten visar att välkänd kemi för proteinklyvning kan fungera i nya, konstruerade proteinstrukturer. Någon medicinsk användning har ännu inte prövats.