AI ile tasarlanan enzimler seçili proteini keser ve hastalık hedefleri için umut doğurur

Enzimler katalitik çekirdeğin etrafında

Proteinlerdeki amino asitleri bağlayan peptit bağları o kadar sağlamdır ki su yardımı olmadan yüzlerce yıl boyunca kalabilir. Yaşam bunu proteazlarla, yani birkaç önemli amino asidi kesimi hızlandıracak şekilde konumlandıran enzimlerle ayrıştırır. Esas olarak Washington Üniversitesi'ndeki David Baker laboratuvarında çalışan ekip, proteaz tasarımını AI protein tasarım araçlarının bir testi olarak ele aldı.

İki bilinen proteaz mekanizmasından başladılar. Nehir yengeçinin sindirim sistemindeki çinko proteazı, çinko iyonunun koordinasyonunu kullanarak yıkılabilir bağı, enzimin kritik bölümlerini ve su molekülünü hizalar. Kükürdü içeren sistein proteazı ise sisteini aktive ederek hedefe saldırmasını ve suyun daha sonra bozacağı geçici bir bağ oluşturmasını sağlar.

RFdiffusion2, ProteinMPNN ve AlphaFold3 ile yapılan tasarım

Süreç, iki kısıtlamayla enzimin iskeletlerini öneren RFdiffusion2 ile başladı: zorunlu katalitik amino asitleri bir araya getirmek ve seçilen hedef dizilimi katalitik merkezin yanına yerleştirmek. Ardından ProteinMPNN, her iskeleti hedeflenen yapıya, katalitik siteye ve hedefe uyan amino asitlerle doldurdu. Ekip süreci birçok kez tekrarladı ve AlphaFold3 ile elde edilen yapıların mevcut veritabanlarında hiçbir şeye benzer olmadığını doğruladı.

Sistein proteazı için 12 iskelet 69 amino asit kalıntısıyla dolduruldu ve 13 tasarım çalıştı; başarı oranı yüzde 19'du, ancak hepsi kükürtlü proteaza kıyasla çok daha az aktifti. Çinko proteazı durumunda su molekülü yerleştirilmeyen tasarımlar büyük ölçüde başarısız oldu ve 89'dan 14'ü yalnızca zayıf aktivite gösterdi. Su molekülünü açık bir kısıtlama olarak eklemek başarı oranını belirgin şekilde artırdı: 38 tasarımdan 35'inde katalitik aktivite vardı.

Aktif siteye yakın alternatif amino asitlerin yer değiştirmesi sonucu daha da iyileşti. En iyi sistein tasarımı hedef dizilimi yaklaşık milyar kat daha hızlı kesti. İkinci sürümü adılan geliştirilmiş çinko proteazı, ilk tasarıma göre 30 kat daha fazla aktivite gösterdi ve peptit bağının kesimini yaklaşık on milyar kat hızlandırdı.

Hedefler hücrelerde ve kalan kısıtlamalar

Nihai testte ekip, çinko proteazlarını Alzheimer ve frontotemporal demans gibi nörolojik durumlarla ilişkili proteine karşı geliştirdi. Mevcut tasarımı yeni dizilişe uyarlama yolu iyi sonuç vermediği için tasarım süreci yeniden başlatıldı ve hedefi hücrelerinde kesebilen bir enzim elde edildi.

Yazarlar, tedavilerin hâlâ protein teslimatı, immün yanıtlar ve hedef hücre içinde bulunuyorsa gen teslimi gerekliliği gibi engelleri bulunduğunu belirtiyor. Ayrıca, araçların yapı oluşturmada güçlü olduğunu, ancak henüz istenen spesifik aktiviteyi karşılayan tasarımlar elde edilemediğini uyarıyorlar; bu nedenle rastgele mutasyon, katalitik gücü artıran rafine edilmiş değişiklikler yine de buldu.

Kaynaklar: Ars Technica