Kdyby v Guinnessově knize rekordů existovala kategorie pro největší protein navržený člověkem, pak by si ji právě nárokoval tým chemiků z Vanderbiltovy univerzity.
Navrhli a úspěšně syntetizovali variantu proteinu, který příroda používá k výrobě esenciální aminokyseliny histidinu. Je více než dvakrát větší než předchozí rekordman, protein vytvořený vědci z Washingtonské univerzity v roce 2003.
Syntetický protein, označený FLR, potvrzuje nový přístup, který vědci z Vanderbiltu vyvinuli a který jim umožňuje navrhovat funkční umělé proteiny podstatně větší, než bylo dosud možné.
„Nyní máme algoritmy, které potřebujeme k navrhování velkých proteinů s tvary, které v přírodě nevidíte. To nám dává nástroje, které potřebujeme k vytvoření nových, účinnějších protilátek a dalších prospěšných proteinů,“ řekl Jens Meiler, docent chemie na Vanderbiltu, který toto úsilí vedl.
Nedávno proteinoví inženýři ověřili potenciální strategii léčby HIV pomocí navržených proteinových vakcín u myší a navrhli umělé proteiny, které napodobují protilátky při široké neutralizaci chřipkových infekcí. Technika vyvinutá ve Vanderbiltu slibuje podstatně rozšířit rozsah těchto snah.
To je důležité, protože proteiny jsou nejdůležitějšími molekulami v živých buňkách. Vykonávají většinu životně důležitých úkolů, které se odehrávají v živém organismu. Existují stovky tisíc různých proteinů. Vyskytují se v různých tvarech a velikostech. Mohou být kulaté nebo dlouhé a tenké, tuhé nebo ohebné. Všechny se však skládají z lineárních řetězců 20 aminokyselin zakódovaných v genomu organismu.
Tuto rozmanitost tvarů a velikostí nabývají proteiny způsobem, jakým se shlukují a skládají. Tento složitý proces probíhá ve dvou krocích. Nejprve malý počet sousedících aminokyselin vytvoří tzv. sekundární struktury, z nichž nejběžnější jsou tyčinkovitý spirálovitý tvar zvaný alfa-helix a plochý, skládaný tvar zvaný beta-list. Tyto sekundární struktury se následně vzájemně ovlivňují, skládají a svinují a vytvářejí trojrozměrný tvar proteinu, který je klíčem k jeho funkci.
V posledních 10 letech bylo „in silico“ (v počítači) navrženo stále více proteinů, které v přírodě neexistují. Vědci používají sofistikovaný software pro modelování proteinů, který zahrnuje příslušné fyzikální a chemické zákony, aby našli sekvence aminokyselin, které se skládají do stabilních forem a mají specifické funkce.
Představte si, že si vyrobíte náhrdelník dlouhý 10 korálků s korálky, které mají 20 různých barev. Na výběr je více než 10 bilionů různých kombinací. To poskytuje představu o složitosti, která je spojena s návrhem nových proteinů. Pro protein dané velikosti vytvoří modelovací software miliony verzí tak, že každou aminokyselinu umístí do každé pozice a vyhodnotí stabilitu výsledné molekuly. To vyžaduje obrovský výpočetní výkon, který s rostoucí délkou proteinu prudce stoupá.
„Současný limit tohoto přístupu i při použití nejrychlejších superpočítačů je asi 120 aminokyselin,“ řekl Meiler. Předchozí držitel rekordu obsahoval 106 aminokyselin. Nově navržený protein obsahuje 242 aminokyselin. Vanderbiltova skupina tento limit obešla úpravou široce používané platformy pro proteinové inženýrství zvané ROSETTA tak, aby mohla do procesu návrhu zahrnout symetrii.
Jejich úspěch poskytuje novou podporu kontroverzní teorii o evoluci proteinů zvané hypotéza genové duplikace a fúze. Výhodou malých proteinů je, že se mohou rychle vyvíjet v reakci na měnící se podmínky, ale větší proteiny mohou vykonávat složitější funkce. Příroda našla způsob, jak získat obě výhody, a to výběrem malých proteinů, které mohou interagovat s dalšími kopiemi sebe sama a vytvářet tak větší proteiny, kterým se říká dimery. Jakmile jsou vytvořeny užitečné dimery, gen, který kódoval původní protein, je duplikován a sloučen do nového genu, který může přímo produkovat dimer. Poté, co je vytvořen, je gen dimeru postupně upravován přírodním výběrem tak, aby byl účinnější nebo aby se u něj vyvinuly nové funkce.
Díky tomu, že mají dvě identické poloviny, mají dimery velký stupeň symetrie. Zohledněním těchto symetrií se Vanderbiltově skupině podařilo podstatně zkrátit výpočetní čas potřebný k vytvoření proteinu FLR. Při použití 400 procesorů superpočítače ve Vanderbiltově pokročilém výpočetním centru pro výzkum a vzdělávání trvalo nalezení nejstabilnější konfigurace 10 dní nepřetržitého zpracování.
Pro ověření přesnosti svého návrhu vědci syntetizovali sekvenci DNA, která protein vytváří, vložili ji do E.coli a zjistili, že protein produkují a že se správně skládá.
Bílkovina FLR nabývá trojrozměrného tvaru zvaného TIM barrel, který se vyskytuje u 10 % proteinů a je zvláště častý mezi enzymy. Je tvořen osmi beta vlákny, která jsou obklopena osmi alfa šroubovicemi uspořádanými do šestiúhelníkového tvaru jako malý soudek.
Příspěvek informující o tomto úspěchu vyšel 16. listopadu v časopise Journal of American Chemical Society a je k dispozici online. Členy Meilerova týmu jsou výzkumná asistentka Carie Fortenberryová, vysokoškolští studenti Elizabeth Bowmanová, Will Proffitt a Brent Dorr a odborní asistenti profesorů biochemie Joel Harp a Laura Mizoueová. Výzkum byl podpořen granty z projektu Defense Advanced Research Projects Agency’s protein design project a National Science Foundation.
.