بروتيازات صُممت بالذكاء الاصطناعي تقطع بروتينات محددة وتبعث الأمل في أهداف الأمراض

أنزيمات حول نواة حفازة

الروابط الببتيدية التي تربط الأحماض الأمينية في البروتينات مستقرة جداً لدرجة أنها قد تبقى في الماء لمئات السنين دون مساعدة. الحياة تكسر هذا بالبروتيازات، وهي أنزيمات تضع عدة أحماض أمينية رئيسية بحيث تسرع القطع. المجموعة التي تعمل أساساً في مختبر ديفيد بيكر في جامعة واشنطن، اعتبرت تصميم البروتيازات بمثابة اختبار لأدوات تصميم البروتين بالذكاء الاصطناعي.

بدأوا من آليتي بروتياز معروفتين. بروتياز الزنك في جهاز الهضم لسرطان البحر النهري يستخدم جذع أيون الزنك لتنسيق الرابطة القابلة للكسر والأجزاء الرئيسية للأنزيم وجزيء الماء. أما بروتياز السيستين في السابرين فينشط السيستين لمهاجمة الهدف وإنشاء رابطة مؤقتة يكسرها الماء لاحقاً.

التصميم باستخدام RFdiffusion2 وProteinMPNN وAlphaFold3

بدأت العملية بـ RFdiffusion2 الذي اقترح هياكل الأنزيم بقيدين: يجب إحضار الأحماض الأمينية الحفازة معاً ووضع التسلسل المستهدف المختار بجانب المركز الحفاز. ثم ملأ ProteinMPNN كل هيكل بالأحماض الأمينية التي تتناسب مع البنية المخططة والموقع الحفاز والهدف. كررت المجموعة العملية عدة مرات وفحصت بـ AlphaFold3 للتأكد من أن البنى الناتجة لا تشبه أي شيء في القواعد الموجودة.

بالنسبة لبروتياز السيستين، تم ملء 12 هيكل بـ 69 تشكيلة أحماض أمينية ونجح 13 تصميماً، بمعدل نجاح 19 بالمئة، لكن جميعها كان أقل نشاطاً بكثير من إنزيم السابرين. في حالة بروتياز الزنك، التصاميم التي لم يوضع فيها جزيء الماء فشلت في الأساس، وأظهرت 14 فقط من أصل 89 نشاطاً ضعيفاً. إضافة جزيء الماء كقيد صريح رفع معدل النجاح بشكل حاد: 35 تصميماً من أصل 38 كان لها نشاط حفاز.

استبدال الأحماض الأمينية البديلة بالقرب من الموقع النشط حسّن النتيجة أكثر. أفضل تصميم للسيستين قطع التسلسل المستهدف بسرعة أكبر بمليار مرة تقريباً. بروتياز الزنك المنقح، الذي يُطلق عليه الإصدار الثاني، أظهر نشاطاً أعلى 30 مرة من التصميم الأصلي وسرّع قطع الرابطة الببتيدية بحوالي عشرة مليارات مرة.

أهداف في الخلايا والقيود المتبقية

في الاختبار النهائي، أنشأت المجموعة بروتيازات الزنك ضد بروتينات مرتبطة بأمراض عصبية، مثل الزهايمر والخرف الجبهي الصدغي. تكييف التصميم الحالي مع تسلسل جديد لم يعمل بشكل جيد، لذلك أعيدت عملية التصميم وحُصل على أنزيم قطع الهدف في الخلايا.

يشير المؤلفون إلى أن العلاجات لا تزال تواجه عقبات، بما في ذلك توصيل البروتين، والاستجابات المناعية، والحاجة إلى توصيل الجينات إذا كان الهدف داخل الخلية. يحذرون أيضاً من أن الأدوات قوية في البنية، لكن لا يزال من المستحيل منها طلب نشاط محدد، لذلك وجدت طفرة عشوائية على أي حال التغييرات المنقحة التي زادت القوة الحفازية.

المصادر: Ars Technica