Forskere skaber komplekse transmembrane proteiner fra bunden

Det er nu muligt at skabe komplekse, specialdesignede transmembranproteiner fra bunden, forskere rapporterer i denne uge. Forskuddet, ledet af molekylære ingeniører ved University of Washington Institute for Protein Design, vil gøre det muligt for forskere at oprette transmembrane proteiner, der ikke findes i naturen, til at udføre specifikke opgaver.

I den levende verden, transmembrane proteiner findes indlejret i membranen af ​​alle celler og cellulære organeller. De er afgørende for, at de fungerer normalt. For eksempel, mange naturligt forekommende transmembranproteiner fungerer som gateways for bevægelse af specifikke stoffer hen over en biologisk membran. Nogle transmembrane proteiner modtager eller transmitterer cellesignaler. På grund af sådanne roller, mange lægemidler er designet til at målrette transmembrane proteiner og ændre deres funktion.

"Vores resultater baner vejen for design af multispan -membranproteiner, der kan efterligne proteiner, der findes i naturen eller have en helt ny struktur, funktion og anvendelser, "sagde David Baker, en professor i biokemi ved University of Washington School of Medicine og direktør for UW Institute of Protein Design, der ledede projektet. Forskningen er rapporteret i tidsskriftet 1. marts Videnskab . Peilong Lu, en senior i Baker -laboratoriet, er papirets hovedforfatter.

Men at forstå, hvordan transmembrane proteiner sættes sammen, og hvordan de fungerer, har vist sig at være udfordrende. Fordi de virker, mens de er indlejret i cellemembranen, transmembranproteiner har vist sig at være vanskeligere at studere end proteiner, der fungerer i den vandige opløsning, der udgør cellernes cytoplasma eller i den ekstracellulære væske.

I den nye undersøgelse, Lu og hans kolleger brugte et computerprogram, udviklet i Baker -laboratoriet og kaldet Rosetta, der kan forudsige strukturen, et protein vil folde ind i, efter at det er blevet syntetiseret. Et proteins arkitektur er afgørende, fordi et proteins struktur bestemmer dets funktion.

Et proteins form dannes fra komplekse interaktioner mellem aminosyrerne, der udgør proteinkæden og mellem aminosyrerne og det omgivende miljø. Ultimativt, proteinet antager den form, der bedst afbalancerer alle disse faktorer, så proteinet opnår den lavest mulige energitilstand.

Rosetta -programmet, der bruges af Lu og hans kolleger, kan forudsige et proteins struktur ved at tage hensyn til disse interaktioner og beregne den laveste samlede energitilstand. Det er ikke usædvanligt, at programmet opretter titusinder af modelstrukturer til en aminosyresekvens og derefter identificerer dem med lavest energitilstand. De resulterende modeller har vist sig nøjagtigt at repræsentere den struktur, sekvensen sandsynligvis vil antage i naturen.

Det er svært at bestemme strukturen af ​​transmembranproteiner, fordi dele af transmembranproteiner skal passere gennem membranens indre, som er lavet af oliefedt kaldet lipider.

I vandige væsker, aminosyrerester, der har polære sidekæder - komponenter, der kan have en ladning under visse fysiologiske forhold, eller som deltager i hydrogenbinding - har en tendens til at være placeret på overfladen af ​​proteinet, hvor de kan interagere med vand, som har negativt og positivt sideladninger til sit molekyle. Som resultat, polære rester på proteiner kaldes hydrofile, eller "vandelskende".

Ikke-polære rester, på den anden side, har en tendens til at blive fundet pakket inde i proteinkernen væk fra den polære vandige væske. Sådanne rester kaldes hydrofobe eller "vandfrygtige". Som resultat, interaktionen mellem de vandelskende og vandfrygtige rester af proteinet og de omgivende vandige væsker hjælper med at drive proteinfoldning og stabiliserer proteinets endelige struktur.

I membraner, imidlertid, proteinfoldning er mere kompliceret, fordi membranets lipidindretning er upolær, det er, det har ingen adskillelse af elektriske ladninger. Dette betyder, at proteinet skal være upolært, for at være stabilt vandfrygtige rester på overfladen, og pak dens polar, vandglade rester indeni. Derefter må den finde en måde at stabilisere sin struktur ved at skabe bindinger mellem de hydrofile rester i kernen.

Nøglen til at løse problemet, siger Lu, skulle anvende en metode udviklet af Baker lab til at designe proteiner, så de polære, hydrofile rester passer på en sådan måde, at nok ville danne polar-polære interaktioner, der kan binde proteinet indefra.

"At sammensætte disse 'begravede brintbindingsnetværk' var som at sammensætte et puslespil, "Sagde Baker.

Med denne tilgang, Lu og hans kolleger var i stand til at fremstille de designede transmembrane proteiner inde i bakterier og pattedyrsceller ved at bruge hele 215 aminosyrer. De resulterende proteiner viste sig at være meget termisk stabile og i stand til korrekt at orientere sig på membranen. Ligesom naturligt forekommende transmembrane proteiner, proteiner er flerpas, hvilket betyder at de krydser membranen flere gange, og samles i stabile multiproteinkomplekser, såsom dimerer, trimerer og tetramerer.

"Vi har vist, at det nu er muligt at designe komplekse nøjagtigt, multipass transmembrane proteiner, der kan udtrykkes i celler. Dette vil gøre det muligt for forskere at designe transmembrane proteiner med helt nye strukturer og funktioner, "sagde Lu.