Nov način oblikovanja modularnih proteinov
Proteini so kompleksne molekule, ki opravljajo večino dela v naših celicah. Imajo pomembno vlogo pri telesni strukturi, delovanju, uravnavanju in splošnem zdravju. Kaj pa, če bi proteini lahko naredili še več? "Naravni proteini predstavljajo le majhen delež vseh možnih proteinskih zaporedij in struktur," pravi Roman Jerala, biokemik na slovenskem Kemijskem inštitutu(opens in new window). Pri tem je izziv oblikovati nove proteine, ki se v naravi še niso razvili. "Ustvarjanje proteinskih struktur z novimi oblikami in lastnostmi bi lahko odprlo vrata novim dosežkom v medicini, tehnologiji in znanosti," dodaja Jerala. Odgovor na ta izziv je projekt MaCChines(opens in new window), ki ga je vodil Jerala.
Prednosti gradbenih modulov z navitimi vijačnicami
Cilj projekta, ki ga je podprl Evropski raziskovalni svet(opens in new window) (ERC), je bil izboljšati načrtovanje modularnih proteinov, ki temeljijo na tako imenovanih gradbenih modulih iz navitih vijačnic. Glavni raziskovalec Jerala pojasnjuje, da so navite vijačnice sestavljene iz dveh ali več peptidnih vijačnic (sekundarne strukture, ki jo najdemo v beljakovinah), zavitih druga okoli druge. Za razliko od naravno razvitih proteinov, pri katerih zlaganje določa hidrofobno jedro, strukturo teh laboratorijsko zasnovanih proteinov določa razporeditev dimerskih modulov, povezanih v eno polipeptidno verigo. Ta veriga se sestavi v načrtovano obliko, ki nato tvori nove proteinske pregibe. Moduli, ki tvorijo dimere, posredujejo pri interakciji dveh proteinskih podenot (proteinskih dimerov), ki so ključnega pomena za številne celične funkcije. Znanstveniki lahko te module uporabijo za oblikovanje proteinov s posebnimi funkcijami in interakcijami. "Te molekule, ki jih je mogoče programirati, imajo številne lastnosti in jih lahko celične tovarne proizvajajo na trajnosten način, ki je energetsko učinkovit in varčen z viri," pojasnjuje Jerala. "Poleg tega pričakujemo, da bodo zaradi svoje strukture, opredeljene na ravni nanometrov, učinkoviti pri prepoznavanju, prenosu in katalizi ter da bodo našli uporabo v medicini, biotehnologiji in na drugih področjih."
Rezultati presegajo pričakovanja
Z uporabo teh gradbenih modulov navitih vijačnic so v okviru projekta MaCChines zasnovali in opisali nove vrste proteinskih kletk, ki jih v naravi ne poznamo. Uravnavali so njihovo sestavljanje in razstavljanje z uporabo kovinskih ionov in proteaz, oblikovali pot njihovega zlaganja in dokazali njihovo uporabo za več vrst celičnih regulacij. "Projekt je bil zelo produktiven in je v več pogledih celo presegel moja pričakovanja," ugotavlja Jerala. Konstrukti projekta so na voljo prek spletne strani Addgene(opens in new window) in jih med drugim že uporabljajo drugi raziskovalci, ki se ukvarjajo s sintezno biologijo in bio-nanotehnologijo.
Vloga modularnega oblikovanja proteinov v svetu umetne inteligence
Napredek je izjemno hiter in oblikovanje proteinov ni nobena izjema. Najnovejši pristopi, ki temeljijo na umetni inteligenci, že uresničujejo sanje mnogih oblikovalcev proteinov. Kljub temu pa je Jerala prepričan, da bo delo projekta imelo trajen vpliv. "Čeprav v celoti sprejemamo tehnologijo generativnega načrtovanja proteinov, umetna inteligenca ne more nadomestiti načel modularnega načrtovanja proteinov," zaključi Jerala. "Nekaterih naših modelov z eksperimentalno določenimi strukturami zaradi njihove zapletene topologije programi umetne inteligence še vedno ne morejo napovedati." S podporo novega projekta PROFI, ki ga financira ERC, in na podlagi dosežkov projekta MaCChines, se Jeralova raziskovalna skupina zdaj osredotoča na regulacijo celic sesalcev z uporabo oblikovanih proteinov. Hkrati upajo, da bodo raziskali možnosti prenosa orodij sintezne biologije v terapevtske namene.
