Методика, получившая название SEWING, основана на естественных эволюционных механизмах, которые также рекомбинируют части известных белков для создания новых структур и функций. Этот подход может генерировать разнообразный набор белковых структур со многими отличительными особенностями, которые требуются белкам для выполнения определенных биологических функций.
Результаты, опубликованные сегодня в журнале Science, могут позволить исследователям разработать белки, которые будут играть различные роли в биологии человека и заболеваниях, такие как катализаторы, биосенсоры и терапевтические средства.«Теперь мы можем начать думать о создании белков, чтобы делать то, на что не способно ничто другое», — сказал старший автор исследования Брайан Кульман, доктор философии, профессор биохимии и биофизики и член Универсального онкологического центра UNC Lineberger. «Структура белка определяет его функцию, поэтому, если мы собираемся научиться конструировать новые функции, мы должны научиться конструировать новые структуры.
Наше исследование является важным шагом в этом направлении и предоставляет инструменты для создания белков, в которых есть убежище. в природе раньше не встречался ».На химическом уровне белки состоят из длинных цепочек, состоящих из сотен и тысяч субъединиц, называемых аминокислотами, — строительных блоков жизни. Последовательность этих аминокислот в конечном итоге определяет уникальную геометрию каждого белка. Некоторые части белка могут складываться взад и вперед, как бумажный веер; другие могут быть скручены туго, как пружина.
В целом, по оценкам ученых, человеческое тело содержит около 100000 различных белков, каждый из которых является результатом миллионов лет эволюционного перетасовки, достигающего высшей точки в точном наборе складок, спиралей и бороздок, необходимых для выполнения определенной работы в клетке.Традиционно исследователи использовали компьютерный дизайн белков, чтобы воссоздать в лаборатории то, что уже существует в мире природы.
Но в последние годы их внимание сместилось в сторону изобретения новых белков с новой функциональностью. Все эти дизайнерские проекты начинаются с определенной структурной «схемы» и, как следствие, ограничены. Кульман и его коллеги считают, что, сняв ограничения заранее определенного плана и приняв сигналы эволюции, им будет легче создавать функциональные белки.Чтобы имитировать механизмы естественной эволюции белков, они разработали стратегию компьютерного дизайна под названием SEWING (Расширение структуры с помощью графов нативных субструктур).
Во-первых, исследователи взяли множество природных белков и в цифровом виде разделили их на четко определенные части, как будто превратили кучу тряпичных кукол в груду рук, ног и голов. Затем они выполнили серию вычислительных тестов, чтобы выяснить, какие части хорошо сочетаются друг с другом.
В природе этот этап включает поиск участков аминокислотных последовательностей, которые похожи между белками. На компьютере это включало поиск областей структурного сходства, так что — по аналогии с тряпичной куклой — рука в конечном итоге пришивалась к руке, а затем к плечу, а не к голове или бедру.
Первый автор Тим М. Джейкобс, доктор философии, бывший аспирант лаборатории Кульман, использовал этот метод, чтобы отобразить 50 000 этих сшитых вместе белков на компьютере. Затем он использовал несколько различных показателей, чтобы сократить список до 21 лучших белков, которые он произвел в лаборатории. Джейкобс и его коллеги сфотографировали эти белки с помощью рентгеновской кристаллографии и ЯМР и обнаружили, что белки содержат все уникальные структурные разновидности, которые они разработали на компьютере.
«Мы были взволнованы тем, что на поверхности некоторых из них были щели или бороздки, участки, которые природные белки используют для связывания других белков», — сказал Джейкобс. «Это важно, потому что, если бы мы хотели создать белок, который мог бы действовать как биосенсор для обнаружения определенного метаболита в организме, для диагностических или исследовательских целей, он должен был бы иметь эти бороздки. Точно так же, если бы мы хотели разработать новые терапевтические средства. , им также нужно будет прикрепиться к определенным белкам ".В настоящее время исследователи используют SEWING для создания белков, которые могут связываться с несколькими другими белками одновременно.
Многие из наиболее важных белков являются такими многозадачными, включая гемоглобин крови, который переносит четыре копии кислорода из легких в ткани организма.