Ha a Guinness-rekordok között lenne kategória a legnagyobb, ember által tervezett fehérje számára, akkor a Vanderbilt vegyészek egy csapata most igényt tartana rá.
Eltervezték és sikeresen szintetizálták egy olyan fehérje változatát, amelyet a természet az esszenciális aminosav, a hisztidin előállítására használ. Ez több mint kétszer akkora, mint a korábbi rekordtartó, a Washingtoni Egyetem kutatói által 2003-ban létrehozott fehérje.
A FLR nevű szintetikus fehérje igazolja a Vanderbilt tudósai által kifejlesztett új megközelítést, amely lehetővé teszi számukra a korábban lehetségesnél lényegesen nagyobb, funkcionális mesterséges fehérjék tervezését.
“Most már rendelkezünk a szükséges algoritmusokkal ahhoz, hogy olyan formájú, nagy fehérjéket tervezzünk, amelyeket a természetben nem látunk. Ez olyan eszközöket ad a kezünkbe, amelyekkel új, hatékonyabb antitesteket és más hasznos fehérjéket hozhatunk létre” – mondta Jens Meiler, a Vanderbilt vegyészprofesszora, aki az erőfeszítéseket vezette.
A közelmúltban a fehérjemérnökök egerekben tervezett fehérjeoltások segítségével igazolták a HIV lehetséges kezelési stratégiáját, és olyan mesterséges fehérjéket terveztek, amelyek az influenzafertőzést széles körben semlegesítő antitesteket utánozzák. A Vanderbiltben kifejlesztett technika azt ígéri, hogy jelentősen kibővíti ezen erőfeszítések körét.
Ez azért fontos, mert a fehérjék a legfontosabb molekulák az élő sejtekben. Ők végzik a legtöbb létfontosságú feladatot, amely az élő szervezetben zajlik. Több százezer különböző fehérje létezik. Különböző formájúak és méretűek. Lehetnek kerekek vagy hosszúak és vékonyak, merevek vagy rugalmasak. De mindannyian 20 aminosavból álló, a szervezet genomjában kódolt lineáris láncokból állnak.
A fehérjék ezt a sokféle formát és méretet azáltal veszik fel, ahogyan összecsomósodnak és összehajlanak. Ez az összetett folyamat két lépésből áll. Először is, kis számú szomszédos aminosavból kialakulnak a tudósok által másodlagos struktúráknak nevezett szerkezetek: ezek közül a leggyakoribbak az alfa-hélixnek nevezett rúdszerű spirális forma és a béta-lapnak nevezett lapos, pliszírozott forma. Ezek a másodlagos szerkezetek viszont kölcsönhatásba lépnek, összecsukódnak és feltekerednek, hogy kialakítsák a fehérje háromdimenziós alakját, ami a fehérje működésének kulcsa.
Az elmúlt 10 évben egyre több, a természetben nem létező fehérjét terveztek “in silico” (számítógépen). A tudósok kifinomult fehérjemodellező szoftvereket használnak, amelyek a fizika és a kémia vonatkozó törvényszerűségeit is figyelembe veszik, hogy olyan aminosav-szekvenciákat találjanak, amelyek stabil formába rendeződnek és meghatározott funkciókkal rendelkeznek.
Képzeljünk el egy 10 gyöngyből álló nyakláncot, amely 20 különböző színű gyöngyből áll. Több mint 10 trillió különböző kombináció közül választhatunk. Ez képet ad arról, hogy milyen bonyolult az új fehérjék tervezése. Egy adott méretű fehérje esetében a modellező szoftver több millió változatot hoz létre úgy, hogy minden egyes aminosavat minden pozícióba helyez, és értékeli a kapott molekula stabilitását. Ehhez óriási számítási teljesítményre van szükség, amely a fehérje hosszának növekedésével az egekbe szökik.
“Ennek a megközelítésnek a jelenlegi határa, még a leggyorsabb szuperszámítógépek használatával is, körülbelül 120 aminosav” – mondta Meiler. A korábbi rekordtartó 106 aminosavat tartalmazott. Az újonnan tervezett fehérje 242 aminosavat tartalmaz. A Vanderbilt csoport úgy kerülte meg ezt a korlátot, hogy a ROSETTA nevű, széles körben használt fehérjemérnöki platformot úgy módosította, hogy az képes legyen a szimmetriát is beépíteni a tervezési folyamatba.
Sikerük új támogatást nyújt a fehérjék evolúciójáról szóló ellentmondásos elméletnek, az úgynevezett génduplikációs és fúziós hipotézisnek. A kis fehérjék előnye, hogy a változó körülményekre reagálva gyorsan fejlődhetnek, a nagyobb fehérjék viszont összetettebb funkciókat képesek ellátni. A természet megtalálta a módját annak, hogy mindkét előnyhöz hozzájusson azáltal, hogy olyan kis fehérjéket választott ki, amelyek képesek kölcsönhatásba lépni önmaguk másolataival, hogy nagyobb fehérjéket, úgynevezett dimereket alkossanak. Amint létrejöttek a hasznos dimerek, az eredeti fehérjét kódoló gént megkettőzik és összeolvasztják, hogy egy új gén jöjjön létre, amely közvetlenül képes a dimert előállítani. Létrehozása után a dimergént a természetes szelekció fokozatosan módosítja, hogy hatékonyabbá tegye, vagy új funkciókat fejlesszen ki.
A dimerek, mivel két azonos felük van, nagyfokú szimmetriával rendelkeznek. E szimmetriák figyelembevételével a Vanderbilt-csoport jelentősen le tudta csökkenteni az FLR-fehérje létrehozásához szükséges számítási időt. A Vanderbilt Advanced Computing Center for Research and Education szuperszámítógépének 400 processzorát használva 10 nap folyamatos feldolgozásra volt szükség a legstabilabb konfiguráció megtalálásához.
A tervezésük pontosságának ellenőrzéséhez a kutatók szintetizálták a fehérjét előállító DNS-szekvenciát, beillesztették E.coli baktériumba, és megállapították, hogy előállították a fehérjét, és az megfelelően hajtogatott.
A FLR fehérje egy TIM hordónak nevezett háromdimenziós alakot vesz fel, amely a fehérjék 10 százalékában megtalálható, és különösen gyakori az enzimek között. Nyolc béta-szálból áll, amelyeket nyolc alfa-hélix vesz körül, amelyek hatszögletű alakban helyezkednek el, mint egy apró hordó.
Az eredményről beszámoló tanulmány a Journal of American Chemical Society november 16-i számában jelent meg, és online elérhető. Meiler csapatának tagjai Carie Fortenberry kutatási asszisztens, Elizabeth Bowman, Will Proffitt és Brent Dorr egyetemi hallgatók, valamint Joel Harp és Laura Mizoue biokémiai tanársegédek. A kutatást a Defense Advanced Research Projects Agency fehérjetervezési projektje és a Nemzeti Tudományos Alapítvány támogatásával végezték.