Als het Guinness World Records een categorie had voor het grootste door de mens ontworpen eiwit, dan zou een team van Vanderbilt scheikundigen deze zojuist hebben geclaimd.
Zij hebben een variant ontworpen en met succes gesynthetiseerd van een eiwit dat de natuur gebruikt om het essentiële aminozuur histidine te produceren. Het is meer dan twee keer zo groot als de vorige recordhouder, een eiwit dat in 2003 door onderzoekers van de Universiteit van Washington werd gemaakt.
Het synthetische eiwit, FLR genaamd, valideert een nieuwe benadering die de Vanderbilt-wetenschappers hebben ontwikkeld en waarmee zij functionele kunstmatige eiwitten kunnen ontwerpen die aanzienlijk groter zijn dan voorheen mogelijk was.
“We hebben nu de algoritmen die we nodig hebben om grote eiwitten te ontwikkelen met vormen die je niet in de natuur ziet. Dit geeft ons het gereedschap dat we nodig hebben om nieuwe, effectievere antilichamen en andere nuttige eiwitten te maken,” zei Jens Meiler, universitair hoofddocent scheikunde aan Vanderbilt, die de inspanning leidde.
Recentelijk hebben eiwitingenieurs een potentiële behandelingsstrategie voor HIV geverifieerd door gebruik te maken van ontworpen eiwitvaccins bij muizen en hebben ze kunstmatige eiwitten ontworpen die antilichamen nabootsen bij het breed neutraliseren van griepinfecties. De techniek die in Vanderbilt is ontwikkeld, belooft de reikwijdte van deze inspanningen aanzienlijk uit te breiden.
Dat is belangrijk omdat eiwitten de belangrijkste moleculen in levende cellen zijn. Zij voeren de meeste vitale taken uit die in een levend organisme plaatsvinden. Er zijn honderdduizenden verschillende proteïnen. Ze zijn er in verschillende vormen en maten. Ze kunnen rond zijn of lang en dun, stijf of buigzaam. Maar ze zijn allemaal opgebouwd uit lineaire ketens van 20 aminozuren die zijn gecodeerd in het genoom van het organisme.
Eiwitten nemen deze verscheidenheid aan vormen en afmetingen aan door de manier waarop ze worden opeengestapeld en gevouwen. Dit complexe proces verloopt in twee stappen. Eerst vormen kleine aantallen aangrenzende aminozuren secundaire structuren, die wetenschappers secundaire structuren noemen: de meest voorkomende zijn een staafachtige spiraalvorm die de alfa-helix wordt genoemd en een platte, geplooide vorm die de bèta-sheet wordt genoemd. Deze secundaire structuren werken op hun beurt weer op elkaar in, vouwen zich op en vormen de driedimensionale vorm van het eiwit, die de sleutel vormt tot de functie ervan.
De afgelopen 10 jaar is een toenemend aantal eiwitten die niet in de natuur bestaan, “in silico” (in een computer) ontworpen. Wetenschappers gebruiken geavanceerde software voor het modelleren van proteïnen, waarin de relevante wetten van de fysica en de chemie zijn verwerkt, om aminozuurreeksen te vinden die zich in stabiele vormen vouwen en specifieke functies hebben.
Stelt u zich eens voor dat u een ketting van 10 kralen lang maakt met kralen die in 20 verschillende kleuren verkrijgbaar zijn. Er zijn meer dan 10 biljoen verschillende combinaties om uit te kiezen. Dit geeft een idee van de complexiteit die komt kijken bij het ontwerpen van nieuwe eiwitten. Voor een eiwit van een bepaalde grootte creëert de modelleringssoftware miljoenen versies door elk aminozuur op elke positie te zetten en de stabiliteit van het resulterende molecuul te evalueren. Dit vergt een enorme hoeveelheid rekenkracht die omhoog schiet naarmate de lengte van het eiwit toeneemt.
“De huidige limiet van deze aanpak, zelfs bij gebruik van de snelste supercomputers, is ongeveer 120 aminozuren,” zei Meiler. De vorige recordhouder bevatte 106 aminozuren. Het nieuw ontworpen eiwit bevat 242 aminozuren. De Vanderbilt groep omzeilde deze limiet door het veelgebruikte proteïne engineering platform genaamd ROSETTA zo aan te passen dat het symmetrie in het ontwerpproces kan opnemen.
Hun succes biedt nieuwe ondersteuning voor een controversiële theorie over proteïne evolutie genaamd de gen duplicatie en fusie hypothese. Het voordeel van kleine eiwitten is dat ze snel kunnen evolueren in reactie op veranderende omstandigheden, maar grotere eiwitten kunnen complexere functies vervullen. De natuur vond een manier om beide voordelen te verkrijgen door kleine eiwitten te selecteren die kunnen samenwerken met andere kopieën van zichzelf om grotere eiwitten te vormen, die dimeren worden genoemd. Zodra bruikbare dimeren zijn gemaakt, wordt het gen dat codeerde voor het oorspronkelijke eiwit gedupliceerd en gefuseerd om een nieuw gen te vormen dat het dimeer direct kan produceren. Nadat het dimeer-gen is gemaakt, wordt het geleidelijk door natuurlijke selectie gewijzigd om het efficiënter te maken of nieuwe functies te ontwikkelen.
Dimeren hebben een grote mate van symmetrie omdat ze uit twee identieke helften bestaan. Door rekening te houden met deze symmetrieën, kon de Vanderbilt-groep de rekentijd die nodig was om het FLR-eiwit te maken, aanzienlijk verkorten. Met behulp van 400 processoren van de supercomputer in het Advanced Computing Center for Research and Education van Vanderbilt duurde het 10 dagen van continue verwerking om de meest stabiele configuratie te vinden.
Om de nauwkeurigheid van hun ontwerp te controleren, synthetiseerden de onderzoekers de DNA-sequentie die het eiwit produceert, brachten die in in E.coli-bacteriën en stelden vast dat zij het eiwit produceerden en dat het zich op de juiste manier vouwde.
Het FLR-eiwit neemt een 3D-vorm aan die een TIM-vat wordt genoemd, dat in 10 procent van de eiwitten voorkomt en vooral bij enzymen veel voorkomt. Het wordt gevormd door acht bètastrengen die worden omgeven door acht alfa-helixen die zijn gerangschikt in een zeshoekige vorm als een klein vat.
De paper waarin deze prestatie wordt gerapporteerd, verschijnt in het nummer van 16 november van het Journal of American Chemical Society en is online beschikbaar. Leden van Meiler’s team zijn onderzoeksassistent Carie Fortenberry, bachelorstudenten Elizabeth Bowman, Will Proffitt en Brent Dorr en onderzoeksassistent professoren biochemie Joel Harp en Laura Mizoue. Het onderzoek werd ondersteund door subsidies van het Defense Advanced Research Projects Agency’s protein design project en de National Science Foundation.