Jos Guinnessin ennätystenkirjoissa olisi kategoria suurimmalle ihmisen suunnittelemalle proteiinille, Vanderbiltin kemistiryhmä olisi juuri lunastanut sen.
He ovat suunnitelleet ja onnistuneesti syntetisoineet muunnoksen proteiinista, jota luonto käyttää välttämättömän aminohapon histidiinin valmistukseen. Se on yli kaksi kertaa suurempi kuin edellinen ennätyksen haltija, Washingtonin yliopiston tutkijoiden vuonna 2003 luoma proteiini.
Synteettinen proteiini, jota kutsutaan nimellä FLR, vahvistaa Vanderbiltin tutkijoiden kehittämän uuden lähestymistavan, jonka avulla he pystyvät suunnittelemaan toiminnallisia keinotekoisia proteiineja, jotka ovat huomattavasti suurempia kuin aiemmin on ollut mahdollista.
”Meillä on nyt käytössämme algoritmit, joita tarvitsemme suurten proteiinien suunnitteluun, joiden muotoja ei näe luonnossa. Tämä antaa meille välineet, joita tarvitsemme uusien, tehokkaampien vasta-aineiden ja muiden hyödyllisten proteiinien luomiseen”, sanoo Jens Meiler, Vanderbiltin kemian apulaisprofessori, joka johti ponnistuksia.
Viime aikoina proteiini-insinöörit ovat todenneet mahdollisen hoitostrategian HIV:tä vastaan käyttämällä suunniteltuja proteiinirokotteita hiirissä ja suunnitelleet keinotekoisia proteiineja, jotka jäljittelevät vasta-aineita influenssatartuntoja laajasti neutraloivissa vasta-aineissa. Vanderbiltissä kehitetty tekniikka lupaa laajentaa näitä pyrkimyksiä huomattavasti.
Tämä on tärkeää, koska proteiinit ovat elävien solujen tärkeimpiä molekyylejä. Ne suorittavat suurimman osan elävässä organismissa tapahtuvista elintärkeistä tehtävistä. Erilaisia proteiineja on satojatuhansia. Niitä on monenmuotoisia ja -kokoisia. Ne voivat olla pyöreitä tai pitkiä ja ohuita, jäykkiä tai joustavia. Mutta ne kaikki koostuvat 20 aminohapon lineaarisista ketjuista, jotka on koodattu eliön genomissa.
Proteiinit saavat tämän erilaisen muodon ja koon tavan, jolla ne niputetaan ja taitetaan. Tämä monimutkainen prosessi kestää kaksi vaihetta. Ensin pieni määrä vierekkäisiä aminohappoja muodostaa niin sanottuja sekundäärirakenteita, joista yleisimmät ovat sauvamainen spiraalimainen muoto, jota kutsutaan alfahelixiksi, ja litteä, laskostunut muoto, jota kutsutaan beetalevyksi. Nämä sekundäärirakenteet puolestaan vuorovaikuttavat, taittuvat ja kietoutuvat muodostaen proteiinin kolmiulotteisen muodon, joka on avain sen toimintaan.
Viimeisten 10 vuoden aikana on suunniteltu ”in silico” (tietokoneella) yhä enemmän proteiineja, joita ei ole luonnossa. Tutkijat käyttävät kehittyneitä proteiinien mallinnusohjelmistoja, jotka sisältävät asiaankuuluvat fysiikan ja kemian lait löytääkseen aminohapposekvenssejä, jotka taittuvat stabiileihin muotoihin ja joilla on erityiset toiminnot.
Kuvittele tekeväsi 10 helmen pituisen kaulakorun, jossa on 20 eriväristä helmeä. Valittavana on yli 10 triljoonaa erilaista yhdistelmää. Tämä antaa käsityksen siitä monimutkaisuudesta, joka liittyy uusien proteiinien suunnitteluun. Tietyn kokoisesta proteiinista mallinnusohjelmisto luo miljoonia versioita asettamalla jokaisen aminohapon jokaiseen paikkaan ja arvioimalla tuloksena syntyvän molekyylin stabiilisuutta. Tämä vaatii valtavasti laskentatehoa, joka kasvaa huimasti proteiinin pituuden kasvaessa.
”Tämän lähestymistavan tämänhetkinen raja on nopeimmillakin supertietokoneilla noin 120 aminohappoa”, Meiler sanoo. Edellinen ennätyksen haltija sisälsi 106 aminohappoa. Nyt suunniteltu proteiini sisältää 242 aminohappoa. Vanderbiltin ryhmä kiersi tämän rajan muokkaamalla laajalti käytettyä ROSETTA-nimistä proteiinien suunnittelualustaa niin, että se voi sisällyttää symmetrian suunnitteluprosessiin.
Heidän onnistumisensa antaa uutta tukea kiistellylle teorialle proteiinien evoluutiosta, jota kutsutaan geenien duplikaatio- ja fuusiohypoteesiksi. Pienten proteiinien etuna on, että ne voivat kehittyä nopeasti vastauksena muuttuviin olosuhteisiin, mutta suuremmat proteiinit voivat suorittaa monimutkaisempia toimintoja. Luonto löysi keinon saada molemmat edut valitsemalla pieniä proteiineja, jotka voivat vuorovaikuttaa toisten kopioidensa kanssa muodostaen suurempia proteiineja, joita kutsutaan dimeereiksi. Kun hyödyllisiä dimeerejä on luotu, alkuperäistä proteiinia koodannut geeni monistetaan ja fuusioidaan uudeksi geeniksi, joka pystyy suoraan tuottamaan dimeerin. Luomisen jälkeen dimeerigeeniä muokataan vähitellen luonnonvalinnan avulla sen tehostamiseksi tai uusien toimintojen kehittämiseksi.
Koska niillä on kaksi identtistä puolikasta, dimeereillä on suuri symmetria-aste. Ottamalla nämä symmetriat huomioon Vanderbiltin ryhmä pystyi vähentämään huomattavasti FLR-proteiinin luomiseen tarvittavaa laskenta-aikaa. Vanderbiltin Advanced Computing Center for Research and Education -yksikön supertietokoneen 400 prosessoria käyttäen tarvittiin 10 päivää jatkuvaa käsittelyä vakaimman konfiguraation löytämiseksi.
Tarkistaakseen suunnittelunsa tarkkuuden tutkijat syntetisoivat proteiinia tuottavan DNA-sekvenssin, lisäsivät sen E.coli-bakteereihin ja totesivat, että ne tuottivat proteiinin ja se taittui oikein.
FLR-proteiini omaksuu kolmiulotteisen muodon, jota kutsutaan TIM-tynnyriksi, jota esiintyy 10 prosentissa proteiineista ja joka on erityisen yleinen entsyymeissä. Se muodostuu kahdeksasta beetasäikeestä, joita ympäröi kahdeksan alfaheliksiä, jotka on järjestetty kuusikulmaiseen muotoon kuin pieni tynnyri.
Tästä saavutuksesta kertova artikkeli ilmestyy Journal of American Chemical Societyn 16. marraskuuta ilmestyvässä numerossa, ja se on saatavilla verkossa. Meilerin ryhmän jäseninä ovat tutkimusassistentti Carie Fortenberry, perustutkinto-opiskelijat Elizabeth Bowman, Will Proffitt ja Brent Dorr sekä biokemian apulaisprofessorit Joel Harp ja Laura Mizoue. Tutkimusta on tuettu Defense Advanced Research Projects Agencyn proteiinisuunnitteluprojektin ja National Science Foundationin apurahoilla.