Создание более эффективных ферментов и белковых препаратов

Естественный отбор приводит к белковым последовательностям, растворимость которых достаточна лишь для выполнения их физиологической функции. Однако в биотехнологических приложениях эти белки должны выдерживать концентрации, которые могут быть в 1000 раз выше естественных (например, препарат антител в шприце перед инъекцией). Кроме того, эти белки выделяют в высокой чистоте, и они больше не могут полагаться на помощь шаперонов, которые используют все живые организмы для поддержания структуры своих белков.

В результате биотехнологическое и терапевтическое применение белков часто затруднено или невозможно из-за несоответствия между естественной растворимостью белка и требованиями приложения. Это ставит вопрос: можно ли улучшить растворимость природных белковых последовательностей, не затрагивая их функцию?

Исследователи лаборатории SWITCH под руководством Фредерика Руссо и Йоста Шимковица (VIB/KU Leuven) — Ашок Ганешан и Александра Секиерска — показали, что существует антикорреляция между количеством участков, склонных к агрегации (APRs), в последовательности белка и его растворимостью. Это говорит о том, что мутационное подавление APRs может быть простой стратегией для повышения растворимости белка.

Йост Шимковиц (VIB/KU Leuven):

«Агрегация — это узкое место в процессе производства белков, которые вы хотите использовать в качестве биотехнологического продукта, например, лекарства. Мы показываем, что с помощью наших современных программных алгоритмов мы можем улучшить растворимость белков, внося очень незначительные изменения в их первичный аминокислотный состав. Это не только значительно ускорит процесс производства и разработки так называемых биологических препаратов и ферментов, но и позволит нам использовать белки, которые до сих пор были просто слишком нерастворимыми для любого практического применения».

Исследователи VIB показали, что мутации в определенных позициях внутри структуры белка могут подавлять агрегацию, не влияя на стабильность или функцию белка. Эти «горячие точки» растворимости белка зависят как от структуры, так и от последовательности, но их можно предсказать с помощью вычислений.

Это было продемонстрировано на примерах:

• Мутационное снижение агрегации человеческой α-галактозидазы, используемой в качестве препарата для лечения болезни Фабри.
• Мутационное снижение агрегации белка из Bacillus anthracis, который является частью вакцины против сибирской язвы.

В сочетании с тщательным компьютерным анализом большого количества белковых структур эти результаты указывают на то, что многие белки обладают подобными «горячими точками», что позволит улучшить их растворимость.

Фредерик Руссо (VIB/KU Leuven):

«У нас уже есть сотрудничество с фармацевтической промышленностью по интеграции наших методов в их процессы разработки новых лекарств, что ясно показывает актуальность наших открытий. Мы надеемся таким образом внести вклад в создание нового класса улучшенных белковых препаратов».