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CC-LEGO: robust protein blocks to build cages and layers

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LEGO-artige Proteinbausteine als potenzielle therapeutische Anwendungen

LEGO-Bausteine bieten unendlich viele Möglichkeiten zum Bauen und Gestalten. In ähnlicher Weise wurden jetzt Proteineinheiten erzeugt, die sich zu verschiedenen Strukturen wie Käfigen und Fasern zusammenfügen lassen.

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Als einzelne Bausteine oder in Verbindungen mit anderen Proteinen spielen Proteine eine zentrale Rolle in Zellprozessen. Zudem werden sie in therapeutischen Anwendungen als Antikörper, Zytokine oder Bestandteile von Impfstoffen eingesetzt. Darüber hinaus dienen sie als Bausteine für Nanomaterialien. Obwohl einkettige Proteine sich zuverlässig entwerfen und testen lassen, verlangen Fortschritte bei gezielten Therapien für verschiedene Erkrankungen nach großen, aus mehreren Proteinketten zusammengesetzten Proteinkomplexen. Die schwachen Wechselwirkungen zwischen den Schnittstellen zwischen den Proteinen erschweren jedoch die Erfolgsquote von De-novo-Verfahren für den Verbund von Proteinkomplexen.

Proteinbausteine für modulares Design

Um die technischen Herausforderungen im Zusammenhang mit den Wechselwirkungen zwischen Proteinschnittstellen zu bewältigen, wurde im Rahmen des Projekts CC-LEGO vorgeschlagen, einen nanoskaligen LEGO-artigen Bausatz mit genau definierten Bausteinen für den Zusammenbau von Proteinen zu entwickeln. Die Forschungsarbeiten wurden im Rahmen der Marie Skłodowska-Curie-Maßnahmen durchgeführt und zielten darauf ab, Proteinstrukturen zu erzeugen, die für therapeutische Anwendungen und die Verabreichung von Medikamenten genutzt werden können. Die Forschenden entwarfen Coiled-Coils – einige der am besten erforschten Proteinstrukturen – und fusionierten diese mit anderen Proteinen, um LEGO-artige Bausteine zu erzeugen. Alle Proteine wurden am Computer mithilfe der Software Rosetta entworfen, die das Verständnis makromolekularer Wechselwirkungen und den Aufbau maßgeschneiderter Moleküle unterstützt. Die neuen Proteine wurden dann in Bakterien produziert und im Labor auf ihre Funktionalität getestet, während die jeweiligen Strukturen mittels Kryo-Elektronenmikroskopie bestimmt wurden. „Es handelt sich um völlig neue Proteine, die in der Natur nicht vorkamen, ehe wir sie schufen“, sagt der Marie-Skłodowska-Curie-Stipendiat Ajasja Ljubetič.

Fortschritte bei der Medikamentenverabreichung

Als nützlicher Baustein für größere Zusammenschlüsse erwies sich ein reversibles Heterodimer, mALb8, das wie ein klebriges Schloss und Schlüssel funktioniert. Zusammen mit anderen Komponenten wurde mALb8 zur Herstellung eines großen ikosaedrischen Käfigs verwendet, der auf den pH-Wert reagiert. Solche Käfige können potenziell für die Verabreichung von Medikamenten verwendet werden und können bei niedrigem pH-Wert Ladung freisetzen, zum Beispiel im Lysosom. Der pH-Käfig wurde hierarchisch aus kleineren Teilen aufgebaut. Möglich wurde dies durch ein neuartiges Verfahren, das die feste Fusion von Proteinen in bestimmten Winkeln ermöglicht, sodass Käfige mit definierter Symmetrie und Architektur entstehen. Zu diesem Zweck verwendeten die Forschenden den WORMS-Algorithmus, um die Unterbrechung bestehender Protein-Protein-Schnittstellen zu vermeiden. Darüber hinaus wurden neuartige Fasern entworfen, indem diese Proteinbausteine rechnerisch an die Fasergeometrie angedockt wurden. Die erzeugten Fasern wurden mit flexibel angebrachten heterodimeren Bindungen funktionalisiert und könnten als Schiene für einen Proteinläufer dienen. „Dies ist der aufregendste Teil des Projekts, da es als Gerüst für molekulare Maschinen dienen könnte und die Leistungsfähigkeit des Proteinentwurfs für motorisierte Bewegung demonstriert“, stellt Ljubetič fest.

Wissenstransfer

Ein weiterer sehr wichtiger Aspekt des Marie-Skłodowska-Curie-Projekts war der Wissenstransfer von den Vereinigten Staaten in die EU. Ljubetič wird diese hochmoderne Methode des De-novo-Proteinentwurfs in seinem Labor am Nationalen Institut für Chemie in Slowenien anwenden. Er leitet auch den Workshop „De novo design of proteins using Rosetta and Alphafold 2“. „Die Einführung solcher innovativer Methoden für den Entwurf von Proteinen dürfte die Sichtbarkeit und das Potenzial der EU-Länder auf dem Gebiet der Protein-Nanomaterialien stärken“, so Ljubetič abschließend.

Schlüsselbegriffe

CC-LEGO, Protein, Käfig, Faser, Proteindesign, Arzneimittelabgabe, Nanomaterial, Rosetta, Coiled Coil

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