Ученые создали метод для дизайна белков, способных связывать и детектировать широкий спектр малых молекул
Малые молекулы, от гормонов роста до противораковых препаратов, играют ключевую роль для здоровья. Мониторинг их концентраций важен для расчета дозировок лекарств и домашнего контроля за состоянием пациентов.
Однако существующие сенсоры, используемые в основном в исследованиях, могут детектировать лишь ограниченный набор молекул. Существует острая потребность в сенсорах для малых молекул разной формы, размера, гибкости и полярности.
Команда ученых под руководством нобелевского лауреата Дэвида Бейкера из Университета Вашингтона с помощью искусственного интеллекта (ИИ) создала вычислительный метод для генерации белков, которые эффективно связывают и сигнализируют о присутствии широкого спектра малых молекул. Бейкер получил Нобелевскую премию по химии 2024 года за вычислительный дизайн белков.
Исследование, опубликованное в Science, частично проводилось на источнике продвинутых фотонов (Advanced Photon Source, APS) — пользовательском объекте Управления науки Министерства энергетики США (DOE) в Аргоннской национальной лаборатории.
Проблема дизайна сенсора
Создать белковый сенсор для малых молекул сложно: белок должен сначала связать молекулу, а затем подать сигнал о ее присутствии.
Команда решила обе проблемы с помощью модульного дизайна. Их сгенерированные ИИ белки состоят из идентичных повторяющихся субъединиц, окружающих центральную полость с карманом для связывания малой молекулы.
Модульность субъединиц позволяет легко разбирать конструкцию. Таким образом, белки, связывающие малые молекулы, можно, подобно кубикам Lego, соединять с известными сигнальными белками (например, с разделенным зеленым флуоресцентным белком, GFP), чтобы создать полноценное сенсорное устройство.
Когда малая молекула связывается в кармане, субъединицы собираются заново, что заставляет сигнальный модуль посылать сигнал о присутствии молекулы.
Первый шаг: Связывание
Команда выбрала разнообразный спектр лигандов (молекул, связывающихся с белковыми рецепторами):
- Холевая кислота — биомаркер заболевания печени.
- Метотрексат — противораковый препарат, требующий регулярного мониторинга.
- Тироксин — гормон человека, указывающий на состояние щитовидной железы.
- Циклический пептид.
Ученые создали алгоритм машинного обучения на основе AlphaFold2 (предсказателя структуры белков, чьи разработчики Джон Джампер и Демис Хассабис разделили Нобелевскую премию с Бейкером) и других алгоритмов для дизайна белков. Алгоритм сгенерировал тысячи белков для связывания с малыми молекулами.
После вычислительного дизайна команда протестировала белки в лаборатории, выявив связывающие варианты для конкретных лигандов.
Для подтверждения точности подхода команда Бейкера обратилась к APS. Используя сверхъяркие рентгеновские лучи на лучевых линиях Северо-Восточной коллаборации (NE-CAT, 24-ID), они определили атомную структуру кристаллов одного из созданных белков.
«Алгоритмы предсказания — отличные инструменты, но без проверки структур нет доказательств, что предсказания соответствуют реальности. Рентгеновская кристаллография остается одним из лучших способов сделать такое подтверждение», — сказала Кей Перри из Корнеллского университета, научный сотрудник NE-CAT.
Второй шаг: Сигнализация
Следующей задачей было превратить связывающие белки в сигнальные. Ученые использовали их модульность для создания двух разных типов сигнальных событий.
- Лиганд-индуцированная димеризация: Команда создала из связывающих белков конструкции, которые димеризуются (объединяются в пары) в присутствии лиганда. По словам первого автора исследования Линны Ан, эту технологию можно использовать во многих медицинских приложениях, например, для регулирования высвобождения лекарств при терапии рака.
- Сигнализация с помощью нанопоры: Ученые сконструировали гибридный белок, соединив связывающий модуль с новым дизайнерским белком-нанопорой (каналом для потока ионов). Конструкция была такова, что когда малая молекула блокировала связывающий карман, вся нанопора блокировалась, предотвращая поток ионов и вызывая потерю тока. Потеря тока и сигнализировала о присутствии малой молекулы.
Значение и перспективы
Коммерчески доступные тесты для обнаружения трех из четырех целевых молекул этого исследования (холевой кислоты, метотрексата и тироксина) не могут надежно различать отдельные молекулы от их вариантов или связанные формы от свободных.
Создание более специфичных связывающих белков с высокой аффинностью позволит проводить быстрые домашние тесты на заболевания печени, некоторые виды рака и состояния щитовидной железы.
В приложениях за пределами биомедицины часть команды Бейкера разрабатывает белки для детектирования микропластика и экологических токсинов.
Дух воображения и творчества, породивший идею инженерии белков, которых раньше не существовало, может привести к открытию новых сенсорных решений.
