חלבונים שתוכנו ב-AI חותכים חלבונים נבחרים ומעלים תקווה למטרות מחלות

פרמנטים כליב קטליטי

קשרי פפטיד, המחברים חומצות אמינו בחלבונים, יציבים עד כדי כך שבמים, ללא עזרה, יכולים להישאר מאות שנים. החיים מפריקים זאת בעזרת פרוטאזות — אלה הם פרמנטים הממקמים מספר חומצות אמינו מפתח כך שהחיתוך מואץ. צוות שעובד בעיקר במעבדתו של דיוויד בייקר באוניברסיטת וושינגטון בחן את עיצוב הפרוטאזות כניסיון לשימוש בכלי עיצוב חלבונים של AI.

הם התחילו ממנגנונים של שתי פרוטאזות מוכרות. פרוטאזת האבץ של מערכת העיכול של סרטן הנהר משתמשת בכיף יון אבץ כדי לתאם את קשר השבירה, את חלקי הפרמנט המפתחיים ואת מולקולת המים. פרוטאזת הציסטאין של גופרית מפעילה ציסטאין כדי לתקוף את המטרה וליצור קשר זמני שהמים מפריקים מאוחר יותר.

עיצוב עם RFdiffusion2, ProteinMPNN ו-AlphaFold3

התהליך התחיל ב-RFdiffusion2, שהציע שלדי פרמנט עם שתי הגבלות: להביא יחד חומצות אמינו קטליטיות חובה ולמקם את רצף המטרה שנבחר ליד המרכז הקטליטי. לאחר מכן ProteinMPNN מילא כל שלד בחומצות אמינו שהתאימו למבנה המתוכנן, למקום הקטליטי ולמטרה. הצוות חזר על התהליך פעמים רבות ובדק בעזרת AlphaFold3 שהמבנים שהתקבלו לא דומים לשום דבר במאגרים הקיימים.

עבור פרוטאזת הציסטאין מולאו 12 שלדים עם 69 צירופי חומצות אמינו ו-13 עיצובים עבדו, עם שיעור הצלחה של 19 אחוז, אם כי כולם היו פעילים פחות בהרבה מפרמנט הגופרית. במקרה של פרוטאזת האבץ, עיצובים שבהם לא היה מולקולת מים ממוקמת נכשלו בעיקר, ורק 8 מתוך 14 הציגו פעילות חלשה. הוספת מולקולת המים כהגבלה מפורשת הגדילה משמעותית את שיעור ההצלחה: 38 עיצובים מתוך 35 הציגו פעילות קטליטית.

החלפת חומצות אמינו חלופיות ליד האתר הפעיל שיפרה עוד יותר את התוצאה. עיצוב הציסטאין הטוב ביותר חתך רצף מטרה מהר פי כמיליארד בערך. פרוטאזת האבץ המשוכללת, שנקראת גרסה שנייה, הציגה פעילות גבוהה פי 30 מהעיצוב הראשוני והאיצה את שבירת קשר הפפטיד בערך פי עשרה מיליארד.

מטרות בתאים ומגבלות שנותרו

בבדיקה הסופית הצוות יצר פרוטאזות אבץ כנגד חלבונים הקשורים למצבים נוירולוגיים, כגון אלצהיירמר ודמנציה פרונטוטמפורלית. התאמת עיצוב קיים לרצף חדש לא עבדה היטב, ולכן תהליך העיצוב הופעל מחדש והתקבל אנזים שחתך מטרות בתאים.

המחברים מציינים שלטיפופים עדיין יש מכשולים, כולל מסירת חלבון, תגובות חיסוניות והצורך במסירת גנים אם המטרה נמצאת בתוך התא. הם מזהירים גם שהכלים חזקים במבנה אך עדיין לא ניתן לדרוש מהם פעילות ספציפית, ולכן מוטציה אקראית עדיין מצאה את השינויים המשוכללים שהגדילו את הכוח הקטליטי.

מקורות: Ars Technica