Om Guinness World Records hade en kategori för det största mänskligt utformade proteinet skulle ett team av kemister från Vanderbilt just ha gjort anspråk på det.
De har utformat och framgångsrikt syntetiserat en variant av ett protein som naturen använder för att tillverka den viktiga aminosyran histidin. Det är mer än dubbelt så stort som den tidigare rekordhållaren, ett protein som skapades av forskare vid University of Washington 2003.
Det syntetiska proteinet, med beteckningen FLR, bekräftar ett nytt tillvägagångssätt som Vanderbilt-forskarna har utvecklat och som gör det möjligt för dem att designa funktionella konstgjorda proteiner som är betydligt större än vad som tidigare varit möjligt.
”Vi har nu de algoritmer som vi behöver för att konstruera stora proteiner med former som man inte ser i naturen. Detta ger oss de verktyg vi behöver för att skapa nya, effektivare antikroppar och andra nyttiga proteiner”, säger Jens Meiler, docent i kemi vid Vanderbilt som ledde arbetet.
Proteiningenjörer har nyligen verifierat en potentiell behandlingsstrategi för hiv med hjälp av designade proteinvacciner hos möss och har designat konstgjorda proteiner som efterliknar antikroppar för att neutralisera influensainfektioner på bred front. Den teknik som utvecklats vid Vanderbilt lovar att utöka omfattningen av dessa insatser avsevärt.
Det är viktigt eftersom proteiner är de viktigaste molekylerna i levande celler. De utför de flesta av de vitala uppgifter som sker i en levande organism. Det finns hundratusentals olika proteiner. De finns i en mängd olika former och storlekar. De kan vara runda eller långa och tunna, stela eller flexibla. Men de består alla av linjära kedjor av 20 aminosyror som kodas i organismens arvsmassa.
Proteiner antar denna variation av former och storlekar genom det sätt på vilket de hopviks och viks. Denna komplexa process sker i två steg. Först bildar ett litet antal intilliggande aminosyror vad forskarna kallar sekundärstrukturer: de vanligaste är en stavliknande spiralform som kallas alfa-helix och en platt, veckad form som kallas beta-sheet. Dessa sekundära strukturer interagerar i sin tur, viks och rullas ihop för att bilda proteinets tredimensionella form, vilket är nyckeln till dess funktion.
Under de senaste tio åren har ett ökande antal proteiner som inte finns i naturen utformats ”in silico” (i en dator). Forskare använder sofistikerade programvaror för proteinmodellering som innehåller relevanta fysikaliska och kemiska lagar för att hitta aminosyrasekvenser som viks i stabila former och har specifika funktioner.
Föreställ dig att du gör ett halsband som är 10 pärlor långt med pärlor som finns i 20 olika färger. Det finns mer än 10 biljoner olika kombinationer att välja mellan. Detta ger en uppfattning om den komplexitet som är förknippad med utformningen av nya proteiner. För ett protein av en given storlek skapar modelleringsprogrammet miljontals versioner genom att sätta varje aminosyra i varje position och utvärdera stabiliteten hos den resulterande molekylen. Detta kräver en enorm mängd datorkraft som skjuter i höjden när proteinets längd ökar.
”Den nuvarande gränsen för detta tillvägagångssätt, även med hjälp av de snabbaste superdatorerna, är ungefär 120 aminosyror”, säger Meiler. Den tidigare rekordhållaren innehöll 106 aminosyror. Det nykonstruerade proteinet innehåller 242 aminosyror. Vanderbilt-gruppen kringgick denna gräns genom att modifiera den allmänt använda plattformen för proteinteknik som kallas ROSETTA så att den kan införliva symmetri i designprocessen.
Den framgång som de nådde ger nytt stöd för en kontroversiell teori om proteinevolution som kallas genduplicerings- och fusionshypotesen. Fördelen med små proteiner är att de kan utvecklas snabbt som svar på förändrade förhållanden, men större proteiner kan utföra mer komplexa funktioner. Naturen hittade ett sätt att få båda fördelarna genom att välja ut små proteiner som kan interagera med andra kopior av sig själva för att bilda större proteiner, som kallas dimerer. När användbara dimerer har skapats dupliceras och fusioneras den gen som kodade för det ursprungliga proteinet för att bilda en ny gen som direkt kan producera dimeren. Efter att den skapats modifieras dimergenen gradvis av det naturliga urvalet för att göra den effektivare eller utveckla nya funktioner.
Dimerer har en hög grad av symmetri eftersom de har två identiska halvor. Genom att ta hänsyn till dessa symmetrier kunde Vanderbilt-gruppen avsevärt minska den datortid som krävdes för att skapa FLR-proteinet. Med hjälp av 400 processorer i superdatorn vid Vanderbilts Advanced Computing Center for Research and Education tog det 10 dagars kontinuerlig bearbetning att hitta den mest stabila konfigurationen.
För att kontrollera noggrannheten i sin design syntetiserade forskarna den DNA-sekvens som producerar proteinet, satte in den i E.coli-bakterier och fastställde att de producerade proteinet och att det veckade sig korrekt.
Flr-proteinet antar en 3D-form som kallas TIM-ficka, som finns i 10 procent av alla proteiner och är särskilt vanlig bland enzymer. Det bildas av åtta betasträngar som omges av åtta alfahelixer arrangerade i en hexagonal form som en liten tunna.
Den artikel som rapporterar om denna bedrift publiceras i den 16 novembernumret av Journal of American Chemical Society och finns tillgänglig online. Medlemmar i Meilers team är forskningsassistent Carie Fortenberry, studenterna Elizabeth Bowman, Will Proffitt och Brent Dorr samt de biträdande professorerna i biokemi Joel Harp och Laura Mizoue. Forskningen stöddes av anslag från Defense Advanced Research Projects Agency’s protein design project och National Science Foundation.