Se o Guinness World Records tivesse uma categoria para a maior proteína projetada pelo homem, então uma equipe de químicos Vanderbilt teria acabado de reivindicá-la.
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Eles desenharam e sintetizaram com sucesso uma variante de uma proteína que a natureza usa para fabricar o aminoácido essencial histidina. É mais do dobro do tamanho do recordista anterior, uma proteína criada por pesquisadores da Universidade de Washington em 2003.
A proteína sintética, designada FLR, valida uma nova abordagem que os cientistas de Vanderbilt desenvolveram que lhes permite desenhar proteínas artificiais funcionais substancialmente maiores do que era possível anteriormente.
“Agora temos os algoritmos que precisamos para desenhar proteínas grandes com formas que você não vê na natureza. Isto nos dá as ferramentas necessárias para criar novos anticorpos mais eficazes e outras proteínas benéficas”, disse Jens Meiler, o professor associado de química da Vanderbilt que liderou o esforço.
Recentemente, os engenheiros de proteínas verificaram uma estratégia de tratamento potencial para o HIV usando vacinas protéicas desenhadas em ratos e desenharam proteínas artificiais que imitam anticorpos em infecções de gripe amplamente neutralizantes. A técnica desenvolvida na Vanderbilt promete expandir substancialmente o alcance desses esforços.
Isso é importante porque as proteínas são as moléculas mais importantes nas células vivas. Elas realizam a maioria das tarefas vitais que ocorrem dentro de um organismo vivo. Existem centenas de milhares de proteínas diferentes. Elas vêm em uma variedade de formas e tamanhos. Elas podem ser redondas ou longas e finas, rígidas ou flexíveis. Mas são todas feitas de cadeias lineares de 20 aminoácidos codificados no genoma do organismo.
Proteínas assumem esta variedade de formas e tamanhos pela forma em que se aglomeram e dobram. Este processo complexo dá dois passos. Primeiro, um pequeno número de aminoácidos adjacentes formam o que os cientistas chamam de estruturas secundárias: as mais comuns são uma forma espiralada de vara chamada de alfa hélice e uma forma plana e pregueada chamada de beta-folha. Estas estruturas secundárias, por sua vez, interagem, dobram e enrolam para formar a forma tridimensional da proteína, que é a chave para a sua função.
Nos últimos 10 anos, um número crescente de proteínas que não existem na natureza foram desenhadas “em silico” (num computador). Os cientistas utilizam sofisticados softwares de modelagem de proteínas que incorporam as leis relevantes da física e da química para encontrar seqüências de aminoácidos que se dobram em formas estáveis e têm funções específicas.
Imagine fazendo um colar de 10 contas de comprimento com contas que vêm em 20 cores diferentes. Há mais de 10 trilhões de combinações diferentes para escolher. Isto dá uma ideia da complexidade envolvida na concepção de novas proteínas. Para uma proteína de determinado tamanho, o software de modelagem cria milhões de versões, colocando cada aminoácido em cada posição e avaliando a estabilidade da molécula resultante. Isto requer uma enorme quantidade de poder de computação que dispara à medida que o comprimento da proteína aumenta.
“O limite atual desta abordagem, mesmo usando os supercomputadores mais rápidos, é de cerca de 120 aminoácidos”, disse Meiler. O detentor do recorde anterior continha 106 aminoácidos. A proteína recém-desenhada contém 242 aminoácidos. O grupo Vanderbilt conseguiu contornar este limite modificando a plataforma de engenharia proteica amplamente utilizada chamada ROSETTA para que ela possa incorporar simetria no processo de design.
O seu sucesso fornece novo suporte para uma teoria controversa sobre a evolução da proteína chamada de duplicação de genes e hipótese de fusão. A vantagem das proteínas pequenas é que elas podem evoluir rapidamente em resposta às mudanças das condições, mas as proteínas maiores podem desempenhar funções mais complexas. A natureza encontrou uma maneira de obter ambas as vantagens, selecionando proteínas pequenas que podem interagir com outras cópias de si mesmas para formar proteínas maiores, que são chamadas de dimers. Uma vez criados os dímeros úteis, o gene codificado para a proteína original é duplicado e fundido para formar um novo gene que pode produzir diretamente o dímero. Depois de criado, o gene do dímero é gradualmente modificado pela seleção natural para torná-lo mais eficiente ou desenvolver novas funções.
Porque eles têm duas metades idênticas, os dímeros têm um grande grau de simetria. Levando estas simetrias em consideração, o grupo Vanderbilt foi capaz de reduzir substancialmente a quantidade de tempo de computação necessária para criar a proteína FLR. Usando 400 processadores do supercomputador do Centro de Computação Avançada para Pesquisa e Educação da Vanderbilt, foram necessários 10 dias de processamento contínuo para encontrar a configuração mais estável.
Para verificar a precisão do seu design, os pesquisadores sintetizaram a seqüência de DNA que produz a proteína, inserindo-a em E.coli e determinaram que produziram a proteína e a dobraram adequadamente.
A proteína FLR assume uma forma 3-D chamada barril TIM, que é encontrada em 10% das proteínas e é particularmente prevalente entre as enzimas. Ela é formada a partir de oito fios beta que são cercados por oito hélices alfa dispostas em forma hexagonal como um barril minúsculo.
O artigo relatando esta conquista aparece na edição de 16 de novembro do Journal of American Chemical Society e está disponível online. Membros da equipe do Meiler são a assistente de pesquisa Carie Fortenberry, estudantes de graduação Elizabeth Bowman, Will Proffitt e Brent Dorr e professores assistentes de bioquímica Joel Harp e Laura Mizoue. A pesquisa foi apoiada por subsídios do projeto de design de proteínas da Agência de Projetos de Pesquisa Avançada da Defesa e da National Science Foundation.