Вычислительный дизайн белков, распознающих и связывающих малые молекулы

Ученые создали программируемые белковые молекулы, способные специфично связываться с тремя разными стероидами. Это достижение открывает широкие возможности для применения в медицине, синтетической биологии и экологии.

Прорыв в дизайне белков

Исследователи из Института дизайна белков Вашингтонского университета преодолели ключевые проблемы в создании точных интерфейсов «белок–малая молекула». Ранее попытки сталкивались с несоответствиями между компьютерными моделями и реальной структурой молекул.

Ведущий исследователь Кристин Е. Тинберг: «Это важный шаг к созданию белков для использования в качестве биосенсоров, "молекулярных губок" или в синтетической биологии».

Методология и результаты

• Подход: Ученые адаптировали вычислительный инструмент Rosetta для создания белков, связывающих стероид дигоксигенин (родственное вещество сердечного препарата дигоксина).
• Процесс: Из множества компьютерных дизайнов для синтеза в лаборатории выбрали 17. Эксперименты выделили белок DIG10, чья активность точно соответствовала запланированной.
• Верификация: Рентгеноструктурный анализ показал, что реальная структура двух белковых молекул на атомном уровне совпала с компьютерной моделью.
• Селективность: Спроектированный белок избирательно связывал дигоксигенин, игнорируя три родственных стероида.

Ключевые принципы дизайна

Команда воспроизвела свойства естественного центра связывания:

1. Специфичные взаимодействия для сильного притяжения целевой молекулы.
2. Комплементарная форма для принятия молекулы.
3. Упорядоченная структура, готовая к связыванию («обстановка под ключ»).

Тинберг: «Нашей целью была плотная посадка».

Усовершенствование и перепрограммирование

• Используя глубокое секвенирование гена, ученые создали карту пригодности связывания, что позволило усилить аффинность белка до пикомолярного уровня.
• Исследователи смогли перепрограммировать белок, изменив части интерфейса связывания, чтобы он предпочитал другие стероиды:
  • Дигитоксигенин (родственное дигоксину вещество)
  • Прогестерон (женский гормон)
  • β-эстрадиол (препарат для заместительной гормональной терапии)

Значение и перспективы

Комментатор в Nature Джованна Гирланда: Разработанный метод «может быть революционным», поскольку процессы в клетке зависят от молекулярного распознавания.

Исследователи видят потенциал для:

• Медицинской диагностики: создание белков для обнаружения биомаркеров ранних стадий рака.
• Терапии: лечение передозировок или нейтрализация ядов.
• Экологии: улавливание загрязнителей или отходов.

Вывод из исследования: «Вычислительный дизайн белков должен стать мощным подходом к созданию рецепторов для малых молекул в синтетической биологии, терапевтических утилизаторов токсичных соединений и надежных доменов связывания для диагностических устройств».

Публикация: Исследование «Computational Design of Ligand Binding Proteins with High Affinity and Selectivity» опубликовано 4 сентября в онлайн-выпуске журнала Nature. Кристаллические структуры двух спроектированных белков депонированы в RCSB Protein Data Bank.