Gdyby Guinness World Records miał kategorię dla największego białka zaprojektowanego przez człowieka, to zespół chemików z Vanderbilt właśnie by się o nie upomniał.
Zaprojektowali i z powodzeniem zsyntetyzowali wariant białka, którego natura używa do produkcji niezbędnego aminokwasu histydyny. Jest ono ponad dwukrotnie większe od poprzedniego rekordzisty, białka stworzonego przez naukowców z Uniwersytetu Waszyngtońskiego w 2003 roku.
Syntetyczne białko, oznaczone jako FLR, zatwierdza nowe podejście, które naukowcy z Vanderbilt opracowali, a które pozwala im na projektowanie funkcjonalnych sztucznych białek znacznie większych niż wcześniej było to możliwe.
„Mamy teraz algorytmy, których potrzebujemy do projektowania dużych białek o kształtach, których nie widać w naturze. To daje nam narzędzia, których potrzebujemy do tworzenia nowych, bardziej skutecznych przeciwciał i innych korzystnych białek”, powiedział Jens Meiler, profesor chemii w Vanderbilt, który kierował pracami.
W ostatnim czasie inżynierowie białek zweryfikowali potencjalną strategię leczenia HIV za pomocą zaprojektowanych szczepionek białkowych u myszy i zaprojektowali sztuczne białka, które naśladują przeciwciała w szerokim neutralizowaniu infekcji grypy. Technika opracowana w Vanderbilt obiecuje znacznie rozszerzyć zakres tych wysiłków.
Jest to ważne, ponieważ białka są najważniejszymi cząsteczkami w żywych komórkach. Wykonują one większość istotnych zadań, które mają miejsce w żywym organizmie. Istnieją setki tysięcy różnych białek. Występują one w różnych kształtach i rozmiarach. Mogą być okrągłe lub długie i cienkie, sztywne lub elastyczne. Ale wszystkie są zbudowane z liniowych łańcuchów 20 aminokwasów zakodowanych w genomie organizmu.
Białka przyjmują taką różnorodność kształtów i rozmiarów dzięki sposobowi, w jaki wiążą się i składają. Ten złożony proces przebiega w dwóch etapach. Po pierwsze, niewielka liczba sąsiadujących aminokwasów tworzy to, co naukowcy nazywają strukturami drugorzędowymi: najczęstsze z nich to przypominający pręt spiralny kształt zwany helisą alfa i płaski, pofałdowany kształt zwany arkuszem beta. Te struktury drugorzędowe z kolei oddziałują, składają się i zwijają, tworząc trójwymiarowy kształt białka, który jest kluczem do jego funkcji.
W ciągu ostatnich 10 lat coraz większa liczba białek, które nie istnieją w naturze, została zaprojektowana „in silico” (w komputerze). Naukowcy używają zaawansowanego oprogramowania do modelowania białek, które uwzględnia odpowiednie prawa fizyki i chemii, aby znaleźć sekwencje aminokwasów, które składają się w stabilne formy i mają specyficzne funkcje.
Wyobraź sobie, że naszyjnik 10 koralików długi z koralikami, które są w 20 różnych kolorach. Istnieje więcej niż 10 trylionów różnych kombinacji do wyboru. To daje wyobrażenie o złożoności zaangażowanych w projektowanie nowych białek. Dla białka o danym rozmiarze oprogramowanie modelujące tworzy miliony wersji, umieszczając każdy aminokwas w każdej pozycji i oceniając stabilność powstałej cząsteczki. Wymaga to ogromnej mocy obliczeniowej, która wzrasta wraz ze wzrostem długości białka.
„Obecna granica tego podejścia, nawet przy użyciu najszybszych superkomputerów, wynosi około 120 aminokwasów” – powiedział Meiler. Poprzedni rekordzista zawierał 106 aminokwasów. Nowo zaprojektowane białko zawiera 242 aminokwasy. Grupa Vanderbilta ominęła ten limit, modyfikując szeroko stosowaną platformę inżynierii białkowej ROSETTA, tak aby mogła ona uwzględniać symetrię w procesie projektowania.
Ich sukces stanowi nowe wsparcie dla kontrowersyjnej teorii ewolucji białek zwanej hipotezą duplikacji i fuzji genów. Zaletą małych białek jest to, że mogą one szybko ewoluować w odpowiedzi na zmieniające się warunki, ale większe białka mogą wykonywać bardziej złożone funkcje. Natura znalazła sposób na uzyskanie obu zalet poprzez wybór małych białek, które mogą oddziaływać z innymi kopiami samych siebie tworząc większe białka, które nazywane są dimerami. Po utworzeniu użytecznych dimerów gen, który kodował oryginalne białko jest powielany i łączony w celu utworzenia nowego genu, który może bezpośrednio produkować dimer. Po jego utworzeniu, gen dimeru jest stopniowo modyfikowany przez dobór naturalny, aby uczynić go bardziej wydajnym lub rozwinąć nowe funkcje.
Ponieważ mają dwie identyczne połówki, dimery mają duży stopień symetrii. Biorąc pod uwagę te symetrie, grupa z Vanderbilt była w stanie znacznie zmniejszyć ilość czasu obliczeniowego potrzebnego do stworzenia białka FLR. Używając 400 procesorów superkomputera w Vanderbilt’s Advanced Computing Center for Research and Education, znalezienie najbardziej stabilnej konfiguracji zajęło 10 dni ciągłego przetwarzania.
Aby sprawdzić dokładność swojego projektu, badacze zsyntetyzowali sekwencję DNA, która wytwarza białko, wstawili ją do bakterii E.coli bakterii i ustalili, że produkują białko i składane prawidłowo.
Białko FLR przyjmuje trójwymiarowy kształt zwany beczką TIM, który występuje w 10 procentach białek i jest szczególnie rozpowszechniony wśród enzymów. Jest on utworzony z ośmiu pasm beta, które są otoczone przez osiem alfa heliksów ułożonych w sześciokątnym kształcie jak maleńki barrel.
Papier raportujący to osiągnięcie pojawia się w wydaniu 16 listopada Journal of American Chemical Society i jest dostępny online. Członkowie zespołu Meilera to asystentka Carie Fortenberry, studenci Elizabeth Bowman, Will Proffitt i Brent Dorr oraz asystenci profesorów biochemii Joela Harpa i Laury Mizoue. Badania były wspierane przez dotacje z Defense Advanced Research Projects Agency’s protein design project i National Science Foundation.