Se il Guinness dei Primati avesse una categoria per la più grande proteina progettata dall’uomo, allora un team di chimici di Vanderbilt l’avrebbe appena rivendicata.
Hanno progettato e sintetizzato con successo una variante di una proteina che la natura usa per produrre l’aminoacido essenziale istidina. È più del doppio della dimensione del precedente detentore del record, una proteina creata dai ricercatori dell’Università di Washington nel 2003.
La proteina sintetica, designata FLR, convalida un nuovo approccio che gli scienziati di Vanderbilt hanno sviluppato che permette loro di progettare proteine artificiali funzionali sostanzialmente più grandi di quanto fosse possibile in precedenza.
“Ora abbiamo gli algoritmi necessari per progettare grandi proteine con forme che non si vedono in natura. Questo ci dà gli strumenti di cui abbiamo bisogno per creare nuovi e più efficaci anticorpi e altre proteine utili”, ha detto Jens Meiler, il professore associato di chimica a Vanderbilt che ha guidato lo sforzo.
Di recente, gli ingegneri delle proteine hanno verificato una potenziale strategia di trattamento per l’HIV utilizzando vaccini proteici progettati nei topi e hanno progettato proteine artificiali che imitano gli anticorpi nel neutralizzare ampiamente le infezioni influenzali. La tecnica sviluppata a Vanderbilt promette di espandere la portata di questi sforzi in modo sostanziale.
Questo è importante perché le proteine sono le molecole più importanti nelle cellule viventi. Eseguono la maggior parte dei compiti vitali che si svolgono all’interno di un organismo vivente. Ci sono centinaia di migliaia di proteine diverse. Sono disponibili in una varietà di forme e dimensioni. Possono essere rotonde o lunghe e sottili, rigide o flessibili. Ma sono tutte fatte di catene lineari di 20 aminoacidi codificati nel genoma dell’organismo.
Le proteine assumono questa varietà di forme e dimensioni grazie al modo in cui si raggruppano e si piegano. Questo complesso processo avviene in due fasi. In primo luogo, piccoli numeri di aminoacidi adiacenti formano quelle che gli scienziati chiamano strutture secondarie: le più comuni sono una forma a spirale simile a una canna chiamata alfa-elica e una forma piatta e pieghettata chiamata foglio beta. Queste strutture secondarie, a loro volta, interagiscono, si piegano e si avvolgono per formare la forma tridimensionale della proteina, che è la chiave della sua funzione.
Negli ultimi 10 anni un numero crescente di proteine che non esistono in natura sono state progettate “in silico” (in un computer). Gli scienziati usano un sofisticato software di modellazione delle proteine che incorpora le leggi rilevanti della fisica e della chimica per trovare sequenze di aminoacidi che si piegano in forme stabili e hanno funzioni specifiche.
Immaginate di fare una collana lunga 10 perline con perline di 20 colori diversi. Ci sono più di 10 trilioni di combinazioni diverse tra cui scegliere. Questo dà un’idea della complessità coinvolta nella progettazione di nuove proteine. Per una proteina di una data dimensione, il software di modellazione crea milioni di versioni mettendo ogni aminoacido in ogni posizione e valutando la stabilità della molecola risultante. Questo richiede un’enorme quantità di potenza di calcolo che sale alle stelle con l’aumentare della lunghezza della proteina.
“Il limite attuale di questo approccio, anche usando i supercomputer più veloci, è di circa 120 aminoacidi”, ha detto Meiler. Il precedente detentore del record conteneva 106 aminoacidi. La nuova proteina progettata contiene 242 aminoacidi. Il gruppo di Vanderbilt ha aggirato questo limite modificando la piattaforma di ingegneria proteica ampiamente utilizzata, chiamata ROSETTA, in modo che possa incorporare la simmetria nel processo di progettazione.
Il loro successo fornisce un nuovo supporto per una teoria controversa sull’evoluzione delle proteine chiamata ipotesi di duplicazione e fusione dei geni. Il vantaggio delle piccole proteine è che possono evolvere rapidamente in risposta alle condizioni mutevoli, ma le proteine più grandi possono svolgere funzioni più complesse. La natura ha trovato un modo per ottenere entrambi i vantaggi selezionando piccole proteine che possono interagire con altre copie di se stesse per formare proteine più grandi, che sono chiamate dimeri. Una volta creati i dimeri utili, il gene che codificava la proteina originale viene duplicato e fuso per formare un nuovo gene che può produrre direttamente il dimero. Dopo che è stato creato, il gene dimero viene gradualmente modificato dalla selezione naturale per renderlo più efficiente o sviluppare nuove funzioni.
Perché hanno due metà identiche, i dimeri hanno un grande grado di simmetria. Tenendo conto di queste simmetrie, il gruppo di Vanderbilt è stato in grado di ridurre sostanzialmente la quantità di tempo di calcolo necessario per creare la proteina FLR. Utilizzando 400 processori del supercomputer del Vanderbilt’s Advanced Computing Center for Research and Education, ci sono voluti 10 giorni di elaborazione continua per trovare la configurazione più stabile.coli bacteria e hanno determinato che hanno prodotto la proteina e si è piegata correttamente.
La proteina FLR assume una forma 3-D chiamata barile TIM, che si trova nel 10 per cento delle proteine ed è particolarmente prevalente tra gli enzimi. È formata da otto filamenti beta che sono circondati da otto eliche alfa disposte in una forma esagonale come un piccolo barile.
Il documento che riporta questo risultato appare nel numero del 16 novembre del Journal of American Chemical Society ed è disponibile online. I membri del team di Meiler sono l’assistente di ricerca Carie Fortenberry, gli studenti universitari Elizabeth Bowman, Will Proffitt e Brent Dorr e i professori di biochimica Joel Harp e Laura Mizoue. La ricerca è stata sostenuta da sovvenzioni dal progetto di progettazione di proteine della Defense Advanced Research Projects Agency e dalla National Science Foundation.