Крупные достижения в предсказании и дизайне белковых структур

В журнале Nature от 16 декабря исследуется потенциал модульного дизайна для создания совершенно новых белков, не существующих в природе. Эти публикации — последние в череде недавних достижений в области конструирования белков «с нуля».

Естественные белки — это наномасштабные машины, выполняющие почти все жизненно важные функции.

Хотя более 40 лет известно, что последовательность аминокислот белка определяет его форму, учёным было сложно предсказать трёхмерную структуру белка по его аминокислотной последовательности.

И наоборот, было трудно создавать новые аминокислотные последовательности, которые сворачиваются в ранее невиданные структуры. Структура белка определяет типы биохимических и биологических задач, которые он может выполнять.

Статьи в Nature рассматривают один тип природной конструкции: белки, образованные повторяющимися копиями структурного компонента. Исследователи изучили потенциал создания новых типов таких белков. Подобно тому, как промышленную революцию совершили взаимозаменяемые детали, создание белковых молекул с нужными изгибами и соединениями для их модульной сборки стало бы смелым направлением в биотехнологии.

Статьи называются «Исследование вселенной повторов белков с помощью вычислительного дизайна» и «Рациональный дизайн тандемных повторов α-спиральных белков с замкнутой архитектурой». Результаты показывают возможности создания полезных белковых геометрий, превосходящих природные.

Работу возглавляли постдоки TJ Brunette, Fabio Parmeggiani и Po-Ssu Huang в лаборатории Дэвида Бейкера в Институте дизайна белков Университета Вашингтона, а также Lindsey Doyle и Phil Bradley в Исследовательском институте рака Фреда Хатчинсона в Сиэтле.

Кроме того, за последние несколько месяцев исследователи из Института дизайна белков Университета Вашингтона, Fred Hutch и их коллеги из других учреждений описали несколько других достижений в двух давних проблемных областях создания новых белков с нуля.

«Это был переломный год для предсказания и дизайна белковых структур», — сказал исследователь UW Medicine Дэвид А. Бейкер.

Проблема структуры белка — выяснить, как химический состав белка предопределяет его молекулярную структуру и, в свою очередь, биологическую роль. Исследователи UW разработали мощные алгоритмы для беспрецедентно точного «слепого» предсказания структур крупных белков длиной более 200 аминокислот. Это открыло двери для предсказания структур сотен тысяч недавно обнаруженных белков в океане, почве и микробиоме кишечника.

Не менее сложно дизайнить аминокислотные последовательности, которые свернутся в совершенно новые белковые структуры. Исследователи теперь показали возможность делать это с высокой точностью для белковых укладок, вдохновлённых природными белками.

Что ещё важнее, исследователи теперь могут создавать аминокислотные последовательности для формирования новых, ранее неизвестных укладок, далеко превосходящих то, что, как предполагается, существует в природе.

Новые белки создаются с помощью добровольцев со всего мира, участвующих в распределённом вычислении проекта Rosetta@home. Спроектированные аминокислотные последовательности кодируются в синтетических генах, белки производятся в лаборатории, а их структуры определяются с помощью рентгеновской кристаллографии. Компьютерные модели почти во всех случаях соответствуют экспериментально определённым кристаллическим структурам с точностью, близкой к атомарному уровню.

Исследователи также сообщили о новых дизайнах белков (все с точностью, близкой к атомарному уровню) для таких форм, как бочки, листы, кольца и винты. Это дополняет предыдущие достижения в дизайне белковых кубов и сфер и предполагает возможность создания совершенно нового класса белковых материалов.

Развивая такие достижения, исследователи надеются создавать белки для критически важных задач в медицинской, экологической и промышленной сферах. Примеры их целей — наномасштабные инструменты, которые:

• усиливают иммунный ответ против ВИЧ и других устойчивых вирусов,
• блокируют вирус гриппа, не позволяя ему инфицировать клетки,
• доставляют лекарства к раковым клеткам, снижая побочные эффекты,
• предотвращают симптомы аллергии,
• нейтрализуют отложения (амилоиды), повреждающие ткани при болезни Альцгеймера,
• выводят лекарства из организма в качестве антидота,
• выполняют другие диагностические и терапевтические задачи.

Учёные также заинтересованы в новых белках для биотоплива и чистой энергии.

Помимо отчёта о модульном конструировании белков с повторяющимися мотивами, вот некоторые другие недавние разработки:

• Эволюция подсказывает, как формировать белки: Функция многих белков имеет тенденцию сохраняться у разных видов, даже после того как их аминокислотные последовательности изменились за миллиарды лет эволюции. Поиск коэволюционировавших пар аминокислот помогает рассчитать их близость при сворачивании молекулы. Аспирант UW Сергей Овчинников применил этот анализ последовательностей ДНК на основе коэволюции в статье в eLife от 3 сентября 2015 года «Крупномасштабное определение ранее не решённых белковых структур с использованием эволюционной информации». Эта работа впервые выявила структуры 58 семейств белков, которые имеют сотни тысяч дополнительных структурно родственных членов семейств. «Это достижение стало гранд-слэм-хоум-раном в истории предсказания белковых структур», — сказал Бейкер.
• Дизайн бочкообразной укладки: Постдок лаборатории Бейкера Po-Ssu Huang вместе с Birte Höcker из Института биологии развития Макса Планка в Германии открыл неуловимые принципы дизайна бочкообразной укладки, лежащей в основе многих природных ферментов. Созданные в Институте дизайна белков бочкообразные укладки были представлены 23 ноября 2015 года в статье в Nature Chemical Biology «De novo дизайн четырёхкратно симметричного TIM-баррельного белка с точностью на атомном уровне». Это достижение открыло двери для биоинженеров, чтобы создавать совершенно новые ферменты, ускоряющие химические реакции путём позиционирования меньших молекул в специальных бочкообразных отсеках.
• Самосборный аппарат: Упорядоченные белковые массивы на плоскости встречаются у бактерий, в сердце и других мышцах. Преодолев сложности белковых взаимодействий, исследователи из Института дизайна белков UW и кампуса Janelia Research Campus Медицинского института Говарда Хьюза запрограммировали белки на самосборку в новые симметричные 2-мерные решётки белковых узоров. Аспирант UW Shane Gonen из лаборатории Бейкера и его брат Tamir Gonen из Janelia описали свою работу в выпуске Science от 19 июня 2015 года «Дизайн упорядоченных двумерных массивов, опосредованных нековалентными белково-белковыми взаимодействиями». Это исследование имеет применение для самосборных белковых наноматериалов, особенно эффективных сенсоров или уловителей света.
• Точное моделирование: Дизайнеры белков постоянно совершенствуют принципы создания идеальных белковых структур. Статья в Proceedings of the National Academy of Sciences от 6 октября 2015 года «Контроль общей формы и размера в de novo спроектированных белках» дополнительно объясняет методы систематического варьирования белковой архитектуры, вдохновлённой природой. Такая тонкость может оптимизировать дизайнерские белки для принятия правильных форм, необходимых для желаемых функций. Эту работу возглавлял аспирант лаборатории Бейкера Yu-Ru Lin в сотрудничестве с Nobuyasu Koga из Института молекулярных наук в Японии.