Fluorescensaktiverende beta-tøndeprotein lavet fra bunden for første gang

For første gang, videnskabsmænd har skabt, helt fra bunden, et protein, der er i stand til at binde til et lille målmolekyle. Forskere fra University of Washington School of Medicine rapporterer fremskridt i tidsskriftet 12. september i tidsskriftet Natur .

Tidligere har sådanne små molekyle bindende proteiner er blevet lavet ved at ændre proteiner, der allerede eksisterer i naturen. Den tilgang begrænsede mulighederne markant. Evnen til at lave sådanne proteiner fra bunden, eller "de novo, " åbner vejen for videnskabsmænd til at skabe proteiner, der ikke ligner nogen, der findes i naturen. Disse proteiner kan specialdesignes med høj præcision og affinitet til at binde til og virke på specifikke små molekyle-mål.

Papirets hovedforfattere er Jiayi Dou og Anastassia A. Vorobieva, begge seniorstipendiater i seniorforfatteren David Bakers laboratorium, professor i biokemi ved UW School of Medicine og direktør for Institute of Protein Design på UW Medicine. Baker er også efterforsker ved Howard Hughes Medical Institute.

Teknikken bør have bred anvendelse inden for forskning, medicin og industri, ifølge Baker.

"Det vellykkede de novo-design af specialbyggede proteiner med småmolekylebindingsaktivitet sætter scenen for skabelsen af ​​stadigt mere sofistikerede bindingsproteiner, som ikke vil have de begrænsninger, der ses med proteiner, der er designet ved at ændre eksisterende proteinstrukturer, " forklarede han.

For at lave proteinet, forskerne skulle opnå en anden første:At skabe fra bunden af ​​et cylinderformet protein kaldet en beta-tønde. Betatønderstrukturen var ideel, fordi den ene ende af cylinderen kunne designes til at stabilisere proteinet, mens den anden ende kunne bruges til at skabe et hulrum, der kan tjene som bindingssted for målmolekylet.

Proteiner er lavet af lange kæder af aminosyrer. Når først det er syntetiseret, disse kæder foldes til præcise former, der gør det muligt for proteinerne at udføre deres funktioner. Formerne, som disse kæder antager, er typisk utroligt krøllede, men to regelmæssige træk forekommer ofte:alfa-helixer, som dannes, når sektionernes kæde snor sig om en central akse, og arklignende strukturer, kaldet beta-ark.

Beta-sheets dannes, når to eller flere sektioner fra forskellige dele af aminosyrekæden, på grund af foldning, køre side om side i 3D-rum. Disse sektioner er "syet sammen" af hydrogenbindinger, skabe en arklignende struktur. Disse beta-ark, på tur, kan samles til tøndelignende strukturer, kaldet beta-tønder. I naturen, beta-tønder proteiner binder en lang række små molekyler.

For at designe det nye protein, Dou og Vorobieva brugte en softwareplatform, udviklet i Baker lab, kaldet Rosetta. Det kan forudsige, hvilken form en bestemt kæde af aminosyrer vil antage efter syntese og kan fortælle, hvordan ændring af individuelle aminosyrer langs kæden kan ændre denne form. Denne forudsigelsesevne gør det muligt at teste forskellige kombinationer af aminosyrer for at designe et protein med den ønskede form og funktion.

For at skabe hulrummet, forskerne brugte en kraftfuld ny docking-algoritme, kaldet "Rotamer Interaction Field" (RIF), udviklet af William Sheffler, en seniorforsker i Baker-laboratoriet. RIF identificerer hurtigt alle potentielle strukturer af hulrum, der opfylder forudsætningerne for at binde specifikke molekyler.

Udstyret med de nye RIF-dockingmetoder, Gør du, Vorobieva og Sheffler designede beta-tønderne til at binde en forbindelse kaldet DFHBI, en komponent, der ligner det, der er indeholdt i grønt fluorescerende protein, som fluorescerer, når de udsættes for visse lysfrekvenser. Grønt fluorescerende protein bruges rutinemæssigt i biologisk forskning til at lokalisere molekyler og strukturer i levende organismer og spore deres bevægelse.

I deres papir, forskeren demonstrerede, at deres specialdesignede protein ivrig bandt og aktiverede DFHBI-forbindelsen.

"Det virkede i bakterielle, gær- og pattedyrceller, "sagde Dou, "og at være halvt så stor som grønt fluorescerende protein burde være meget nyttigt for forskere."

Baker sagde, at tilgangen vil give forskere mulighed for at udforske et effektivt ubegrænset sæt af rygradsstrukturer med former, der er tilpasset til at binde molekylet af interesse.

"Lige vigtigt, " han tilføjede, "det fremmer i høj grad vores forståelse af determinanterne for proteinfoldning og -binding ud over, hvad vi har lært af at beskrive eksisterende proteinstrukturer."