Дизайн белков: Гибкие компоненты позволяют создавать новые архитектуры

Искусственно созданные белки обычно основаны на строительных блоках, подчиняющихся строгим правилам симметрии. Их структуру, как правило, можно предсказать с помощью компьютерного моделирования. Однако есть исключения: некоторые белки, спроектированные на компьютере, демонстрируют удивительные новые структуры или свойства, которые могут быть полезны.

Международная команда под руководством профессора Алены Хмелинской с факультета химии LMU и профессора Нила Кинга из Университета Вашингтона выяснила причину этого явления — некоторые белки содержат гибкие компоненты и могут принимать более чем одну структуру. Эти открытия могут открыть новые пути для разработки кастомизированных белков.

В исследовании, опубликованном в Nature Structural & Molecular Biology, учёные проанализировали три дизайнерских белка, которые в экспериментах показали структуры, значительно отличающиеся от предсказанных.

Эти белки синтезируются следующим образом: сначала два или три исходных материала реагируют друг с другом, образуя так называемые димеры или тримеры. Затем путём самосборки эти димеры и тримеры должны создавать высокосимметричные структуры, такие как икосаэдры или октаэдры.

Однако это происходило не всегда: помимо предварительно рассчитанных структур исследователи обнаружили множество частиц, которые были существенно крупнее или даже сформировали совершенно другие архитектуры.

Детальное исследование отклоняющихся белков

«Чтобы понять причину этих отклонений, мы детально охарактеризовали эти три реакции», — говорит Хмелинская. С помощью различных методов исследования, таких как криоэлектронная микроскопия и масс-спектрометрия, а также математических, поддерживаемых ИИ вычислительных методов и симуляций, учёные выявили основную причину своего наблюдения.

Как продемонстрировали исследователи, в изученных белках существуют небольшие локальные области, которые структурно гибки и не ведут себя полностью жёстко. «Примечательно, что эта гибкость порождает не просто неопределённый полиморфизм структур, а лишь небольшое определённое количество возможных структур — то есть олигоморфизм», — объясняет Хмелинская.

Таким образом, три белка ведут себя аналогично природным белкам, которые формируют оболочки вирусов или поддерживают образование везикул, принимая очень разные размеры и формы. «Наблюдаемый нами олигоморфизм открывает интересные перспективы для разработки адаптируемых белков, созданных под конкретные применения», — говорит Хмелинская. «Представленные здесь принципы дизайна могут решительно продвинуть разработку кастомизированных белковых наноматериалов».