AI-ով ստեղծված պրոտեազները կտրում են ընտրված սպիտակուցները և հույս են ներշնչում հիվանդությունների թիրախների համար

Ֆերմենտները կատալիտիկ միջուկի շուրջ

Պեպտիդային կապերը, որոնք սպիտակուցներում ամինաթթուներն են կապում, այնքան կայուն են, որ ջրում առանց օգնության հարյուրավոր տարիներ շարունակ կարող են մնալ։ Կյանքը դա դադարեցնում է պրոտեազներով՝ ֆերմենտներ, որոնք տեղադրում են մի քանի առանցքային ամինաթթուներ այնպես, որ արագացնեն կտրումը։ Խումբը, որը հիմնականում աշխատում է Վաշինգտոնի համալսարանում Դեյվիդ Բեյքերի լաբորատորիայում, պրոտեազների դիզայնը դիտարկում էր որպես AI-ի սպիտակուցների դիզայնի գործիքների փորձարկում։

Նրանք սկսեցին երկու հայտնի պրոտեազայի մեխանիզմից։ Գետի խեցգետնի մարսողական համակարգի ցինկի պրոտեազան օգտագործում է ցինկի իոնի լիցքը՝ կոորդինացնելու կոտրվող կապը, ֆերմենտի առանցքային մասերը և ջրի մոլեկուլը։ Խմորիչի ցիստեինի պրոտեազան ակտիվացնում է ցիստեինը, որպեսզի հարձակվի թիրախի վրա և ստեղծի ժամանակավոր կապ, որը հետագայում ջուրը կտրում է։

Դիզայն RFdiffusion2-ով, ProteinMPNN-ով և AlphaFold3-ով

Գործընթացը սկսվեց RFdiffusion2-ով, որը առաջարկեց ֆերմենտի կմախքներ երկու սահմանափակումով՝ անհրաժեշտ կատալիտիկ ամինաթթուները միասին բերել և ընտրված թիրախային հաջորդականությունը տեղադրել կատալիտիկ կենտրոնի կողքին։ Այնուհետև ProteinMPNN-ը յուրաքանչյուր կմախք լցրեց այն ամինաթթուներով, որոնք համապատասխանում էին նախատեսված կառուցվածքին, կատալիտիկ տեղամասին և թիրախին։ Խումբը գործընթացը կրկնեց բազմիցս և AlphaFold3-ով ստուգեց, որ ստացված կառուցվածքները նման չէին առկա շտեմարաններում եղած ոչնչի։

Ցիստեինի պրոտեազայի համար 12 կմախք լցվեց 69 ամինաթթվային հավաքածուով, և 13 դիզայն աշխատեց, հաջողության ցուցանիշը 19 տոկոս էր, սակայն դրանցից բոլորը շատ ավելի քիչ ակտիվ էին խմորիչի ֆերմենտի համեմատ։ Ցինկի պրոտեազայի դեպքում դիզայնները, որոնցում ջրի մոլեկուլը տեղադրված չէր, հիմնականում ձախողվեցին, միայն 89-ից 14-ը ցույց տվեցին թույլ ակտիվություն։ Ջրի մոլեկուլի՝ որպես հստակ սահմանափակման, ավելացումը կտրուկ բարձրացրեց հաջողության ցուցանիշը՝ 38-ից 35 դիզայն ուներ կատալիտիկ ակտիվություն։

Ակտիվ տեղամասի մոտակայքում այլընտրանքային ամինաթթուների փոխարինումը արդյունքը էլ ավելի բարելավեց։ Լավագույն ցիստեինի դիզայնը թիրախային հաջորդականությունը կտրեց մոտավորապես միլիարդ անգամ ավելի արագ։ Բարելավված ցինկի պրոտեազը, որը կոչվում է երկրորդ տարբերակ, ցույց տվեց 30 անգամ ավելի ակտիվություն սկզբնական դիզայնի համեմատ և արագացրեց պեպտիդային կապի կտրումը մոտավորապես տասը միլիարդ անգամ։

Թիրախները բջիջներում և մնացած սահմանափակումները

Վերջնական փորձարկման ժամանակ խումբը ստեղծեց ցինկի պրոտեազներ նյարդաբանական վիճակների, օրինակ՝ Ալցհայմերի և ֆրոնտոտեմպորալ դեմենցիայի հետ կապված սպիտակուցների դեմ։ Առկա դիզայնը նոր հաջորդականությանը հարմարեցնելը լավ չաշխատեց, ուստի դիզայնի գործընթացը նորից սկսեցին և ստացան ֆերմենտ, որը կտրեց թիրախը բջիջներում։

Հեղինակները նշում են, որ թերապիաները դեռևս ունեն խոչընդոտներ, այդ թվում՝ սպիտակուցի մատակարարում, իմունային պատասխաններ և գենի մատակարարման անհրաժեշտություն, եթե թիրախը գտնվում է բջջի ներսում։ Նրանք նաև զգուշացնում են, որ գործիքները կառուցվածքում ուժեղ են, սակայն դեռ հնարավոր չէ նրանցից պահանջել կոնկրետ ակտիվություն, ուստի պատահական մուտացիան միևնույն է գտել է նուրբ փոփոխություններ, որոնք մեծացրել են կատալիտիկ ուժը։

Աղբյուրներ: Ars Technica