Исследование белковой инженерии раскрывает тайны жизни и открывает путь к новым лекарствам

Белки — это гораздо больше, чем просто питательные вещества. Практически каждая реакция в организме, делающая жизнь возможной, задействует эти молекулы. Когда в нашем здоровье что-то идет не так, белки обычно являются частью проблемы.

Например, при некоторых типах сердечных заболеваний белки в ткани сердца, видимые под высокоразрешающим микроскопом, явно дезорганизованы. Профессор химической инженерии Алекс Данн описывает белки как балки дома: «Мы видим, что в нездоровых клетках сердечной мышцы все эти балки не на своем месте».

Белки — это «рабочие лошадки» клетки, обеспечивающие биохимические процессы жизни. К ним относятся ферменты, которые связываются с другими молекулами, чтобы ускорить реакции, и антитела, которые присоединяются к вирусам и предотвращают заражение клеток.

Визуализация белков для понимания их функции

Многие секреты белков связаны с их сложной структурой. На базовом уровне белки состоят из длинных цепочек аминокислот. Эти цепи часто образуют спирали, складки и петли, формируя трёхмерную структуру. Несколько белков могут связываться вместе, образуя белковый комплекс. Организация белков влияет на их функцию.

Чтобы лучше понять эту организацию, профессор Вах Чиу изучает белки с высоким разрешением — вплоть до масштаба отдельной аминокислоты. Метод, в разработке которого он участвовал, — криогенная электронная микроскопия (cryo-EM) — позволяет исследователям увидеть белки так, как раньше было невозможно.

В отличие от предыдущих методов, требующих кристаллизации, cryo-EM мгновенно замораживает белок, сохраняя его естественную организацию. Электронный микроскоп делает снимки замороженного белка под разными углами, и фотографии можно объединить для создания 3D-моделей.

Этот метод позволил детально рассмотреть ключевые процессы, такие как ферментные «сборочные линии», которые изучает профессор Чайтан Кхосла. Эти группы белков могут производить антибиотики с ошеломляющей скоростью и селективностью, что потенциально полезно для производства лекарств.

Изучение свойств белков для понимания болезней и создания терапий

Не всё о белках можно узнать, просто наблюдая за ними. Исследователи также проводят тесты, чтобы увидеть, как белки реагируют в определённых условиях.

Для проведения тестов полезно иметь много белков. Профессор Джеймс Сварц является пионером бесклеточного синтеза белка. Исторически учёные вставляли ДНК целевого белка в E. coli, используя бактерии для производства копий этого белка. Но процесс может быть медленным и иногда не воспроизводит точную структуру белка.

При бесклеточном синтезе клетки разрушаются под очень высоким давлением, что позволяет извлечь компоненты, такие как рибосомы, необходимые для производства белка. Затем клеточные энергетические ресурсы можно направить исключительно на производство белка. Этот подход также может производить определённые типы молекулярных связей, которые иначе сложно создать.

Одно из применений, над которым работает Сварц, — «вирусоподобные частицы»: искусственные белковые сборки в форме вируса, имеющие шипы и внутреннюю полость для транспортировки материалов к цели. В будущем они могут помочь в доставке вакцин и методов лечения рака.

Профессор Полли Фордайс также разрабатывает платформы, которые увеличивают количество тестов, которые исследователи могут проводить одновременно, — за счёт миниатюризации лабораторного оборудования. «Вместо большой колбы мы создаём микрофлюидные устройства с 1800 нанолитровыми камерами, объёмом в миллионную долю миллилитра».

«Обычно мы создаём 1000 или 2000 различных вариантов белка параллельно и систематически тестируем, как каждое из этих изменений влияет на функцию».

Эти новые платформы позволяют исследователям отвечать на важные вопросы о жизни. «Вопрос, который меня действительно интересует: как эти крошечные компоненты самоорганизуются без какого-либо руководящего воздействия в клетки, которые в 1000 раз больше их?» — говорит Данн.

В одном проекте он прикрепляет микроскопические шарики к белкам сердечной мышцы. Затем с помощью лазерного луча он манипулирует шариками, чтобы увидеть, как реагируют белки. Его исследование показывает, как белки ощущают своё окружение через силы натяжения, предоставляя новую молекулярную перспективу для понимания здоровья сердца.

Модификация белков с помощью полезных мутаций

Помимо наблюдения за существующими белками, некоторые исследователи хотят находить мутации белков, которые оптимизируют определённые функции. Часто они начинают с белка, который уже частично обладает нужными свойствами, а затем изменяют его аминокислотную цепь, чтобы усилить или ослабить эту активность.

К сожалению, случайный поиск среди возможных изменений белка может быть подобен поиску иголки в стоге сена. Производство и тестирование тысяч или даже миллионов вариантов дорого и громоздко.

Профессор биоинженерии Дженнифер Кокран и её коллеги разработали аналитические методы, которые могут быстро просеивать миллионы белков, выделяя наиболее перспективные. Например, в этих скринингах можно использовать молекулярную «приманку», которая выявляет белки с аминокислотами, обеспечивающими изменённую активность.

Другой подход — использование компьютерной модели на основе машинного обучения для выявления полезных мутаций белка. Исследователи Стэнфорда обучили модель с помощью игр «заполни пропуск», объясняет Брайан Хи. Его команда оставляла некоторые пробелы в известных белковых последовательностях и просила модель вставить правильную аминокислоту. После миллионов повторений модель становилась всё лучше в предсказании правильных ответов.

В недавней статье в Science они сообщили, что модель была лучше случайного угадывания в предложении полезных мутаций для антитела. «Вместо того чтобы тестировать миллион мутаций на каждом этапе эволюции, мы тестировали всего от 10 до 30».

Потенциал белков для улучшения здоровья и окружающей среды

Быстрое выявление полезных мутаций может дать толчок индустрии белковой терапии. Белки могут доставлять лекарства в конкретное место или сами выступать в качестве лекарств, связываясь с клеткой-мишенью и изменяя её активность.

«Если я могу заблокировать этот белок или усилить его активность с помощью различных инженерных приёмов, я могу принести клинически значимую пользу пациенту», — говорит Кхосла. Одно из направлений его исследований сосредоточено на блокировке белка, ответственного за иммунную реакцию на глютен при целиакии.

В работе Хи команда сосредоточилась на снятом с применения лечении антителами против SARS-CoV-2. Хотя лечение было эффективным у пациентов в течение пары месяцев, вирус вскоре эволюционировал, чтобы избежать его, что заставило FDA отозвать лечение. В статье команда определила мутации антител, которые могли бы связываться с более новыми штаммами вируса, открывая путь к созданию более адаптивных методов лечения антителами.

Белки также представляют интерес в онкологии. Кокран создала белки, которые плотно связываются с молекулами, сигнализирующими опухолям о росте, и тем самым блокируют их сигнализацию. Сконструированные её командой белки также могут помечать опухоль как захватчика, заставляя иммунную систему атаковать рак. Она обнаружила, что эти белки убивали раковые клетки и подавляли прогрессирование опухоли у лабораторных мышей, и теперь лечение продвигается к клиническим испытаниям на людях.

Другой исследователь, Элизабет Саттели, черпает вдохновение у химиков природы. Доцент химической инженерии Саттели изучает, как растения используют ферментные «фабрики» для создания множества химических веществ. «Эти ферментные катализаторы могут проводить реакции, которые людям очень сложно выполнить с помощью химического синтеза».

Определяя ферменты, ответственные за производство целевого химического вещества, она надеется воспроизвести этот процесс более экономически выгодным способом, например, генетически модифицируя дрожжевые клетки этими ферментами. В одном исследовании в Science она показала, что химиотерапевтический препарат, обнаруженный в гималайском растении, можно производить в широко доступном растении, встроив в него гены этой ферментной фабрики.

Исследования белков также имеют применение за пределами медицины. Сконструированные ферменты можно использовать для разложения пластика, решая проблемы отходов, такие как Большое тихоокеанское мусорное пятно, говорит Фордайс. Ферменты также можно использовать для синтеза химикатов, снижая энергоёмкость производства, и для создания биотоплива, приближая нас к углеродно-нейтральному будущему.

По мере роста исследовательского и коммерческого интереса возможности белков практически безграничны. «Это действительно захватывающее время для этой области», — говорит Фордайс.