Биологи создают белки, избегающие перекрестного взаимодействия с существующими молекулами

Внутри живой клетки многие важные сообщения передаются через взаимодействия между белками. Для точной передачи этих сигналов каждый белок должен взаимодействовать только со своим специфичным партнером, избегая нежелательного перекрестного взаимодействия с любыми похожими белками.

Новое исследование MIT проливает свет на то, как клетки предотвращают такое перекрестное взаимодействие, и показывает, что остается огромное количество возможных белковых взаимодействий, которые клетки еще не используют для сигналинга. Это означает, что синтетические биологи могут создавать новые пары белков, которые могут действовать как искусственные схемы для таких приложений, как диагностика заболеваний, не мешая существующим сигнальным путям клеток.

"Используя наш высокопроизводительный подход, можно создать множество ортогональных версий конкретного взаимодействия, что позволяет увидеть, сколько различных изолированных версий этого белкового комплекса можно построить", — говорит Коннор МакКлун, аспирант MIT и ведущий автор исследования.

В новой статье, опубликованной в Nature, исследователи создали новые пары сигнальных белков и продемонстрировали, как их можно использовать для связывания новых сигналов с новыми результатами, сконструировав клетки E. coli, которые производят желтую флуоресценцию после обнаружения определенного растительного гормона.

Новые комбинации

В этом исследовании ученые сосредоточились на типе сигнального пути, называемом двухкомпонентной сигнализацией, который встречается у бактерий и некоторых других организмов. Широкое разнообразие таких путей эволюционировало через процесс дупликации генов уже существующих сигнальных белков и их последующей мутации, создавая семейства похожих белков.

"Для организмов выгодно иметь возможность значительно расширять это небольшое количество сигнальных семейств, но это создает риск перекрестного взаимодействия между этими очень похожими системами", — говорит Майкл Лауб. — "Тогда перед клетками встает интересная задача: как сохранить точность потока информации и как связать конкретные входные сигналы с конкретными выходными?"

Большинство этих сигнальных пар состоит из фермента, называемого киназой, и ее субстрата, который активируется киназой. У бактерий могут быть десятки или даже сотни таких белковых пар, передающих разные сигналы.

Около 10 лет назад Лауб показал, что специфичность между бактериальными киназами и их субстратами определяется всего пятью аминокислотами в каждом из белков-партнеров. Это подняло вопрос: использовали ли клетки уже все возможные уникальные комбинации, которые не будут мешать существующим путям, или приближаются к этому?

Некоторые предыдущие исследования предполагали, что возможное количество взаимодействий, которые не будут мешать друг другу, может иссякать, но доказательства не были окончательными. Исследователи MIT решили применить систематический подход: начав с одной пары существующих сигнальных белков E. coli, известных как PhoQ и PhoP, они ввели мутации в области, определяющие их специфичность.

Это дало более 10 000 пар белков. Исследователи проверили каждую киназу на способность активировать любой из субстратов и идентифицировали около 200 пар, которые взаимодействуют друг с другом, но не с родительскими белками, другими новыми парами или любым другим типом семейства киназа-субстрат, найденным в E. coli.

"Мы обнаружили, что довольно легко найти работающие комбинации, где два белка взаимодействуют для передачи сигнала и не взаимодействуют ни с чем другим внутри клетки", — говорит Лауб.

Синтетические схемы

Это исследование также предлагает новую стратегию создания новых схем синтетической биологии на основе белковых пар, которые не взаимодействуют с другими клеточными белками. Чтобы продемонстрировать эту возможность, они взяли одну из своих новых белковых пар и модифицировали киназу так, чтобы она активировалась растительным гормоном транс-зеатином, и сконструировали субстрат так, чтобы он светился желтым при активации киназой.

"Это показывает, что мы можем преодолеть одну из проблем внедрения синтетической схемы в клетку, которая уже заполнена сигнальными белками", — говорит Кристофер Войт. — "Когда мы пытаемся перенести сенсор или схему между видами, одна из самых больших проблем заключается в том, что они мешают уже существующим путям".

Одним из возможных применений этого нового подхода является разработка схем, обнаруживающих присутствие других микробов. Такие схемы могут быть полезны для создания пробиотических бактерий, которые могли бы помочь в диагностике инфекционных заболеваний.

Если адаптировать этот подход для использования в человеческих клетках, он также может помочь исследователям разработать новые способы программирования человеческих Т-клеток для уничтожения раковых клеток. Этот тип терапии, известный как CAR-T-клеточная терапия, уже одобрен для лечения некоторых видов рака крови и разрабатывается для других видов рака.

Хотя задействованные сигнальные белки будут отличаться от тех, что в этом исследовании, "применяется тот же принцип: терапия зависит от нашей способности брать наборы сконструированных белков и помещать их в новый геномный контекст, надеясь, что они не будут мешать путям, уже существующим в клетках", — говорит МакКлун.