Dacă Guinness World Records ar avea o categorie pentru cea mai mare proteină proiectată de om, atunci o echipă de chimiști de la Vanderbilt tocmai ar fi revendicat-o.
Ei au proiectat și au sintetizat cu succes o variantă a unei proteine pe care natura o folosește pentru a fabrica aminoacidul esențial histidină. Aceasta este de peste două ori mai mare decât precedentul deținător al recordului, o proteină creată de cercetătorii de la Universitatea din Washington în 2003.
Proteina sintetică, denumită FLR, validează o nouă abordare pe care oamenii de știință de la Vanderbilt au dezvoltat-o și care le permite să proiecteze proteine artificiale funcționale substanțial mai mari decât era posibil până acum.
„Avem acum algoritmii de care avem nevoie pentru a proiecta proteine mari, cu forme pe care nu le vezi în natură. Acest lucru ne oferă instrumentele de care avem nevoie pentru a crea anticorpi noi, mai eficienți și alte proteine benefice”, a declarat Jens Meiler, profesor asociat de chimie la Vanderbilt care a condus efortul.
Recent, inginerii de proteine au verificat o potențială strategie de tratament pentru HIV prin utilizarea vaccinurilor proteice proiectate la șoareci și au proiectat proteine artificiale care imită anticorpii în neutralizarea largă a infecțiilor gripale. Tehnica dezvoltată la Vanderbilt promite să extindă în mod substanțial domeniul de aplicare al acestor eforturi.
Ceasta este important deoarece proteinele sunt cele mai importante molecule din celulele vii. Ele îndeplinesc majoritatea sarcinilor vitale care au loc în cadrul unui organism viu. Există sute de mii de proteine diferite. Ele vin într-o varietate de forme și dimensiuni. Ele pot fi rotunde sau lungi și subțiri, rigide sau flexibile. Dar toate sunt alcătuite din lanțuri liniare de 20 de aminoacizi codificați în genomul organismului.
Proteinele își asumă această varietate de forme și dimensiuni prin modul în care se grupează și se pliază. Acest proces complex are două etape. În primul rând, un număr mic de aminoacizi adiacenți formează ceea ce oamenii de știință numesc structuri secundare: cele mai comune dintre acestea sunt o formă spiralată în formă de tijă numită alfa-helix și o formă plată, plisată, numită foaie beta. Aceste structuri secundare, la rândul lor, interacționează, se pliază și se înfășoară pentru a forma forma tridimensională a proteinei, care este cheia funcției sale.
În ultimii 10 ani, un număr din ce în ce mai mare de proteine care nu există în natură au fost proiectate „in silico” (pe calculator). Oamenii de știință folosesc un software sofisticat de modelare a proteinelor care încorporează legile relevante ale fizicii și chimiei pentru a găsi secvențe de aminoacizi care se pliază în forme stabile și au funcții specifice.
Imaginați-vă că faceți un colier lung de 10 mărgele cu mărgele care vin în 20 de culori diferite. Există mai mult de 10 trilioane de combinații diferite din care puteți alege. Acest lucru oferă o idee despre complexitatea implicată în proiectarea de proteine noi. Pentru o proteină de o anumită dimensiune, software-ul de modelare creează milioane de versiuni, punând fiecare aminoacid în fiecare poziție și evaluând stabilitatea moleculei rezultate. Acest lucru necesită o cantitate enormă de putere de calcul, care crește vertiginos pe măsură ce crește lungimea proteinei.
„Limita actuală a acestei abordări, chiar și folosind cele mai rapide supercomputere, este de aproximativ 120 de aminoacizi”, a declarat Meiler. Deținătorul recordului anterior conținea 106 aminoacizi. Proteina nou concepută conține 242 de aminoacizi. Grupul de la Vanderbilt a reușit să ocolească această limită prin modificarea platformei de inginerie proteică utilizată pe scară largă, numită ROSETTA, astfel încât să poată încorpora simetria în procesul de proiectare.
Succesul lor oferă un nou sprijin pentru o teorie controversată despre evoluția proteinelor, numită ipoteza duplicării și fuziunii genelor. Avantajul proteinelor mici este că pot evolua rapid ca răspuns la schimbarea condițiilor, dar proteinele mai mari pot îndeplini funcții mai complexe. Natura a găsit o modalitate de a obține ambele avantaje prin selectarea proteinelor mici care pot interacționa cu alte copii ale lor pentru a forma proteine mai mari, care se numesc dimeri. Odată ce au fost creați dimeri utili, gena care a codificat proteina originală este duplicată și fuzionată pentru a forma o nouă genă care poate produce direct dimerul. După ce a fost creată, gena dimerului este modificată treptat prin selecție naturală pentru a o face mai eficientă sau pentru a dezvolta noi funcții.
Pentru că au două jumătăți identice, dimerii au un grad mare de simetrie. Luând în considerare aceste simetrii, grupul de la Vanderbilt a reușit să reducă substanțial timpul de calcul necesar pentru a crea proteina FLR. Folosind 400 de procesoare ale supercomputerului de la Vanderbilt’s Advanced Computing Center for Research and Education, a fost nevoie de 10 zile de procesare continuă pentru a găsi cea mai stabilă configurație.
Pentru a verifica acuratețea designului lor, cercetătorii au sintetizat secvența de ADN care produce proteina, au inserat-o în E.bacterii coli și au determinat că au produs proteina și că aceasta s-a pliat corect.
Proteina FLR ia o formă tridimensională numită butoi TIM, care se găsește în 10 la sută din proteine și este deosebit de răspândită în rândul enzimelor. Ea este formată din opt șiruri beta care sunt înconjurate de opt elice alfa dispuse într-o formă hexagonală ca un butoi mic.
Articolul care raportează această realizare apare în numărul din 16 noiembrie al Journal of American Chemical Society și este disponibil online. Membrii echipei lui Meiler sunt asistentul de cercetare Carie Fortenberry, studenții de licență Elizabeth Bowman, Will Proffitt și Brent Dorr și profesorii asistenți de cercetare în biochimie Joel Harp și Laura Mizoue. Cercetarea a fost susținută de granturi de la proiectul de proiectare a proteinelor al Defense Advanced Research Projects Agency și de la National Science Foundation.
.