Білки, створені за допомогою ШІ, розрізають вибрані білки та дають надію на цілі для лікування хвороб

Ферменти навколо каталітичного ядра

Пептидні зв'язки, які з'єднують амінокислоти в білках, настільки стабільні, що в воді можуть зберігатися сотні років без сторонньої допомоги. Життя руйнує їх за допомогою протеаз, тобто ферментів, які розташовують кілька ключових амінокислот так, щоб прискорити розрізання. Група, яка працює переважно в лабораторії Девіда Бейкера в Університеті Вашингтона, розглядала дизайн протеаз як випробування інструментів ШІ для дизайну білків.

Вони почали з механізмів двох відомих протеаз. Протеаза цинку з системи травлення річкового рака використовує кишеню іона цинку, щоб координувати розривний зв'язок, ключові частини ферменту та молекулу води. Квітковий цистеїновий протеаза натомість активує цистеїн, щоб атакувати ціль та створити тимчасовий зв'язок, який пізніше розривається водою.

Дизайн за допомогою RFdiffusion2, ProteinMPNN та AlphaFold3

Процес почався з RFdiffusion2, який запропонував каркаси ферментів з двома обмеженнями: обов'язкові каталітичні амінокислоти мали бути зібрані разом, а вибрана цільова послідовність мала бути розміщена поруч із каталітичним центром. Потім ProteinMPNN заповнив кожен каркас амінокислотами, які відповідали запланованій структурі, каталітичному місцю та цілі. Група повторювала процес багато разів і перевіряла за допомогою AlphaFold3, що отримані структури не схожі ні на що в наявних базах даних.

Для цистеїнової протеази 12 каркасів були заповнені 69 амінокислотними наборами, і 13 дизайнів спрацювали, з показником успіху 19 відсотків, хоча всі вони були набагато менш активними, ніж квітковий фермент. У випадку з протеазою цинку дизайни, в яких молекула води не була розміщена, переважно провалилися — тільки 14 з 89 показали слабку активність. Додавання молекули води як явного обмеження різко підвищило показник успіху: 35 з 38 дизайнів мали каталітичну активність.

Заміна альтернативними амінокислотами поблизу активного місця ще більше покращила результат. Найкращий цистеїновий дизайн розрізав цільову послідовність приблизно в мільярд разів швидше. Удосконалена протеаза цинку, яку називають версією два, показала в 30 разів більшу активність, ніж вихідний дизайн, і прискорила розрізання пептидного зв'язку приблизно в десять мільярдів разів.

Цілі в клітинах та наявні обмеження

У фінальному випробуванні група створила протеази цинку проти білків, пов'язаних з неврологічними станами, такими як хвороба Альцгеймера та фронтотемпоральна деменція. Адаптація наявного дизайну до нової послідовності не спрацювала, тому процес дизайну було запущено заново, і отриманий фермент розрізав ціль в клітинах.

Автори зазначають, що терапії все ще мають перешкоди, включаючи доставку білка, імунні реакції та необхідність доставки генів, якщо ціль знаходиться всередині клітини. Вони також попереджають, що інструменти сильні у структурі, але поки що неможливо вимагати конкретну активність, тому випадкова мутація все ж знайшла удосконалені варіанти, які підвищили каталітичну силу.

Джерела: Ars Technica