Wenn es im Guinness-Buch der Rekorde eine Kategorie für das größte von Menschen entworfene Protein gäbe, dann hätte ein Team von Vanderbilt-Chemikern sie gerade für sich beansprucht.
Sie haben eine Variante eines Proteins entworfen und erfolgreich synthetisiert, das die Natur zur Herstellung der essentiellen Aminosäure Histidin verwendet. Es ist mehr als doppelt so groß wie der bisherige Rekordhalter, ein Protein, das 2003 von Forschern der University of Washington geschaffen wurde.
Das synthetische Protein mit der Bezeichnung FLR bestätigt einen neuen Ansatz, den die Vanderbilt-Wissenschaftler entwickelt haben und der es ihnen ermöglicht, funktionelle künstliche Proteine zu entwerfen, die wesentlich größer sind als bisher möglich.
„Wir haben jetzt die Algorithmen, die wir brauchen, um große Proteine mit Formen zu entwickeln, die man in der Natur nicht sieht. Dies gibt uns die Werkzeuge an die Hand, die wir brauchen, um neue, wirksamere Antikörper und andere nützliche Proteine zu entwickeln“, sagte Jens Meiler, außerordentlicher Professor für Chemie an der Vanderbilt University, der das Projekt leitete.
In jüngster Zeit haben Proteiningenieure eine potenzielle Behandlungsstrategie für HIV überprüft, indem sie entworfene Proteinimpfstoffe in Mäusen einsetzten, und haben künstliche Proteine entworfen, die Antikörper bei der weitgehenden Neutralisierung von Grippeinfektionen nachahmen. Die in Vanderbilt entwickelte Technik verspricht, den Umfang dieser Bemühungen erheblich zu erweitern.
Das ist wichtig, weil Proteine die wichtigsten Moleküle in lebenden Zellen sind. Sie erfüllen die meisten der lebenswichtigen Aufgaben, die in einem lebenden Organismus ablaufen. Es gibt Hunderttausende von verschiedenen Proteinen. Es gibt sie in verschiedenen Formen und Größen. Sie können rund oder lang und dünn, starr oder flexibel sein. Aber sie bestehen alle aus linearen Ketten von 20 Aminosäuren, die im Genom des Organismus kodiert sind.
Proteine nehmen diese Vielfalt an Formen und Größen durch die Art und Weise an, wie sie sich bündeln und falten. Dieser komplexe Prozess erfolgt in zwei Schritten. Zunächst bilden eine kleine Anzahl benachbarter Aminosäuren so genannte Sekundärstrukturen: Die häufigsten sind eine stäbchenartige Spiralform, die so genannte Alpha-Helix, und eine flache, gefaltete Form, das so genannte Beta-Faltblatt. Diese Sekundärstrukturen wiederum interagieren, falten und wickeln sich, um die dreidimensionale Form des Proteins zu bilden, die der Schlüssel zu seiner Funktion ist.
In den letzten 10 Jahren wurde eine zunehmende Anzahl von Proteinen, die in der Natur nicht vorkommen, „in silico“ (im Computer) entworfen. Wissenschaftler verwenden eine hochentwickelte Software zur Modellierung von Proteinen, die die relevanten Gesetze der Physik und Chemie berücksichtigt, um Aminosäuresequenzen zu finden, die sich zu stabilen Formen falten und spezifische Funktionen haben.
Stellen Sie sich eine Kette vor, die 10 Perlen lang ist und aus Perlen in 20 verschiedenen Farben besteht. Es gibt mehr als 10 Billionen verschiedene Kombinationen, zwischen denen man wählen kann. Dies vermittelt eine Vorstellung von der Komplexität, die mit dem Entwurf neuer Proteine verbunden ist. Für ein Protein einer bestimmten Größe erstellt die Modellierungssoftware Millionen von Versionen, indem sie jede Aminosäure an jede Position setzt und die Stabilität des resultierenden Moleküls bewertet. Dies erfordert eine enorme Rechenleistung, die mit zunehmender Länge des Proteins in die Höhe schießt.
„Die derzeitige Grenze dieses Ansatzes liegt selbst bei Verwendung der schnellsten Supercomputer bei etwa 120 Aminosäuren“, so Meiler. Der bisherige Rekordhalter enthielt 106 Aminosäuren. Das neu entworfene Protein enthält 242 Aminosäuren. Die Vanderbilt-Gruppe umging diese Grenze, indem sie die weit verbreitete Protein-Engineering-Plattform ROSETTA so modifizierte, dass sie Symmetrie in den Designprozess einbeziehen kann.
Ihr Erfolg liefert neue Unterstützung für eine umstrittene Theorie über die Proteinevolution, die so genannte Genduplikations- und Fusionshypothese. Der Vorteil kleiner Proteine besteht darin, dass sie sich als Reaktion auf veränderte Bedingungen schnell weiterentwickeln können, während größere Proteine komplexere Funktionen erfüllen können. Die Natur hat einen Weg gefunden, beide Vorteile zu nutzen, indem sie kleine Proteine auswählt, die mit anderen Kopien von sich selbst interagieren können, um größere Proteine zu bilden, die Dimere genannt werden. Sobald nützliche Dimere entstanden sind, wird das Gen, das für das ursprüngliche Protein kodierte, dupliziert und fusioniert, um ein neues Gen zu bilden, das das Dimer direkt produzieren kann. Nach seiner Entstehung wird das Dimer-Gen durch natürliche Selektion allmählich modifiziert, um es effizienter zu machen oder neue Funktionen zu entwickeln.
Die Dimere weisen aufgrund ihrer zwei identischen Hälften einen hohen Symmetriegrad auf. Durch die Berücksichtigung dieser Symmetrien konnte die Vanderbilt-Gruppe die für die Erstellung des FLR-Proteins erforderliche Rechenzeit erheblich reduzieren. Unter Verwendung von 400 Prozessoren des Supercomputers im Advanced Computing Center for Research and Education von Vanderbilt dauerte es 10 Tage kontinuierlicher Verarbeitung, um die stabilste Konfiguration zu finden.
Um die Genauigkeit ihres Entwurfs zu überprüfen, synthetisierten die Forscher die DNA-Sequenz, die das Protein produziert, fügten sie in E.coli-Bakterien ein und stellten fest, dass sie das Protein produzierten und es sich richtig faltete.
Das FLR-Protein nimmt eine 3-D-Form an, die als TIM-Barrel bezeichnet wird und in 10 Prozent der Proteine vorkommt und bei Enzymen besonders häufig ist. Es besteht aus acht Betasträngen, die von acht Alphahelices umgeben sind, die in einer sechseckigen Form wie ein winziges Fass angeordnet sind.
Die Arbeit, die über diese Leistung berichtet, erscheint in der Ausgabe vom 16. November des Journal of American Chemical Society und ist online verfügbar. Mitglieder von Meilers Team sind die Forschungsassistentin Carie Fortenberry, die Studenten Elizabeth Bowman, Will Proffitt und Brent Dorr sowie die Assistenzprofessoren für Biochemie Joel Harp und Laura Mizoue. Die Forschung wurde durch Zuschüsse des Protein-Design-Projekts der Defense Advanced Research Projects Agency und der National Science Foundation unterstützt.