Созданные компьютером белки, которые могут распознавать небольшие биологические молекулы и взаимодействовать с ними, стали реальностью. Ученым удалось создать молекулу белка, которую можно запрограммировать на объединение с тремя разными стероидами.
По мнению Института дизайна белков Вашингтонского университета, это достижение может найти гораздо более широкое применение в медицине и других областях.«Это важный шаг на пути к созданию белков для использования в качестве биосенсоров или молекулярных губок или в синтетической биологии, дающих организмам новые инструменты для выполнения задачи», — сказала одна из ведущих исследователей Кристин Э. Тинберг, научный сотрудник отделения биохимии. UW.Их подход появился в онлайн-выпуске журнала Nature за 4 сентября.
Тинберг и Сагар Д. Кхаре возглавляли исследование под руководством Дэвида Бейкера, профессора биохимии Университета штата Вашингтон и исследователя Медицинского института Говарда Хьюза. Кхаре в настоящее время является доцентом Университета Рутгерса.
Их статья в Nature сопровождается комментарием «Вычислительная биология: рецепт лиганд-связывающих белков». Комментатор Джованна Гирланда из Университета штата Аризона написала, что метод, разработанный «для создания белков с желаемыми сайтами узнавания, может быть революционным», потому что клеточные процессы, такие как перекрестный обмен между клетками, производство генных продуктов и работа ферментов, — все это зависит от молекулярное распознавание.
Команда ученых преодолела нерешенные ранее проблемы в создании точных интерфейсов белок-небольшие молекулы.
Ранние попытки были связаны с несоответствиями между компьютерными планами и структурами реальных молекул.В ходе исследования исследователи узнали общие принципы создания связывающих небольшие молекулы белков с сильной энергией притяжения.
Их открытия открывают возможность того, что связывающие белки могут быть созданы для многих медицинских, промышленных и экологических целей.В медицинской диагностике, например, рационально запрограммированный белок может обнаруживать биомолекулы, обнаруживаемые только в определенном болезненном состоянии, например, на ранней стадии рака. В конечном итоге могут быть произведены другие типы белковых молекул для лечения передозировки или для блокирования яда. Возможности восстановления для этих молекулярных рабочих лошадок могут включать улавливание загрязнителей или улавливание отходов.
Тинберг объяснил, что создание новых низкомолекулярных связывающих белков в настоящее время состоит из иммунизации животного для выработки антител против целевого белка или управления эволюцией белков в лаборатории для усиления их сродства к желаемой небольшой молекуле.«Ни один из этих методов не позволяет полностью контролировать взаимодействия, участвующие в связывании», — сказала она.
Создавая свои молекулы, команда стремилась воспроизвести свойства природного сайта связывания белка. Это: специфические взаимодействия, которые вызывают сильное притяжение с желаемой небольшой молекулой, рецептивная форма для принятия маленькой молекулы и упорядоченная структура, подготовленная к заселению. Эксклюзивная установка, готовая к перемещению, снижает потери энергии, предотвращая изменение формы белка, чтобы принять небольшую молекулу.
Это контрастирует с гибким сайтом, который более неупорядочен в отсутствие маленькой молекулы и должен фиксироваться в одном состоянии при связывании.Ученые запрограммировали необходимые взаимодействия белок-молекула — и создали дополнительные опоры — в основном за счет конформации и ориентации архитектуры сайта связывания.
«Наша цель идеально подошла», — сказал Тинберг.Исследователи адаптировали вычислительный инструмент под названием Rosetta, разработанный в лаборатории Бейкера, для создания новых белков, которые будут связывать стероид дигоксигенин, который связан с дигоксином, лекарством от сердечных заболеваний. Препарат может вызвать проблемы с пищеварением, спутанность сознания, нарушение зрения и нарушение сердечного ритма.
Разница между полезной и вредной дозой невелика. В настоящее время пациенты получают антитела, направленные на молекулу, для корректировки избыточных количеств.
Создав множество дизайнов дигоксигенин-связывающих веществ на компьютере, исследователи выбрали 17 для синтеза в лаборатории. Экспериментальные тесты заставили исследователей отточить белок, который они назвали DIG10. Дальнейшие наблюдения показали, что связывающая активность этого белка действительно опосредована его компьютерным интерфейсом, как и предполагали исследователи.
Чтобы обновить свои общие методы проектирования, исследователи затем использовали глубокое секвенирование генов следующего поколения, чтобы исследовать влияние каждого молекулярного строительного блока аминокислоты на пригодность к связыванию. Используя этот метод, они смогли обнаружить, как различные сконструированные генетические вариации влияют на связывающие способности сконструированного белка.
Карта пригодности связывания дала исследователям идеи для повышения аффинности связывания разработанного белка до пикомолярного уровня, более плотного, чем наноуровень.Команда ученых с нетерпением ждала рентгеновской кристаллографии — способа сфотографировать молекулу. Он показал, что фактические структуры двух белковых молекул совпадают на атомном уровне с компьютерными проектами.
Исследователям больше не приходилось бороться с якобы непреодолимым препятствием — несоответствием между дизайнерской моделью и белком, созданным в лаборатории.Другой целью работы было гарантировать, что разработанные белки связывают небольшую молекулу-мишень, а не химически родственные молекулы. Это ошибочное связывание могло привести к побочным эффектам, если бы белок использовался в качестве терапевтического средства. Исследователи были довольны, когда их белок предпочел дигоксигенин трем родственным стероидам.
Ученые переработали части интерфейса связывания, чтобы изменить предпочтения белковой молекулы среди трех родственных стероидов. Молекула может быть перепрограммирована, чтобы выбрать либо дигитоксигенин (родственник дигоксина), либо прогестерон (женский гормон), либо B-эстрадиол (препарат, замещающий эстроген). Ученые манипулировали выбором молекулы, изменяя ее взаимодействия водородных связей.
Кристаллические структуры двух созданных белков, связанных с дигоксигенином, депонированы в банке данных RCSB Protein Data Bank.«Посредством постоянного улучшения методологии и обратной связи с результатами экспериментов, — отмечают исследователи в своей статье, — расчетный дизайн белка должен обеспечить все более мощный подход к созданию рецепторов малых молекул для синтетической биологии, терапевтических поглотителей токсичных соединений и надежных связывающих доменов. для диагностических приборов ».
Исследование «Вычислительный дизайн лиганд-связывающих белков с высоким сродством и селективностью».