Forskere programmerer proteiner til at parre nøjagtigt

Proteiner er nu blevet designet i laboratoriet til at lyne sammen på nogenlunde samme måde, som DNA-molekyler lyner sammen for at danne en dobbelt helix. Teknikken, hvis udvikling blev ledet af University of Washington School of Medicine videnskabsmænd, kunne muliggøre design af protein nanomaskiner, der potentielt kan hjælpe med at diagnosticere og behandle sygdom, give mulighed for mere nøjagtig konstruktion af celler og udføre en lang række andre opgaver.

"For at enhver maskine skal fungere, dens dele skal mødes præcist, " sagde Zibo Chen, hovedforfatteren af ​​papiret og en UW kandidatstuderende i biokemi. "Denne teknik gør det muligt for dig at designe proteiner, så de kommer sammen præcis, som du vil have dem til."

Forskningen blev udført på UW Medicines Institute of Protein Design, instrueret af David Baker, professor i biokemi ved University of Washington School of Medicine og en Howard Hughes Medical Institute-forsker. Forskerne rapporterer deres resultater i tidsskriftets 19. december-udgave Natur .

I fortiden, forskere, der er interesseret i at designe biomolekylære nanomaskiner, har ofte brugt DNA som en vigtig komponent. Dette skyldes, at DNA-strenge kommer sammen og danner hydrogenbindinger for at skabe DNA's dobbelthelix, men kun hvis deres sekvenser er komplementære.

Holdet udviklede nye proteindesignalgoritmer, der producerer komplementære proteiner, der præcist parrer sig med hinanden ved hjælp af det samme kemiske DNA-sprog.

"Dette er et første af sin slags gennembrud, " sagde Chen. "Det, vi laver, er beregningsmæssigt at designe disse hydrogenbindingsnetværk, så hvert proteinpar har en unik komplementær sekvens. Der er kun én måde for dem at komme sammen, og de krydsreagerer ikke med proteiner fra andre par."

"Enginering af celler til at udføre nye opgaver er fremtiden for medicin og bioteknologi, om det er konstruktion af bakterier til at lave energi eller rense giftigt affald eller skabe immunceller, der angriber kræftformer, " sagde Scott Boyken, en anden forfatter til papiret og postdoc-forsker ved Institute for Protein Design. "Denne teknik giver forskerne en præcis, programmerbar måde at kontrollere, hvordan proteinmaskiner interagerer, et vigtigt skridt i retning af at nå disse nye opgaver. Vi har åbnet en stor dør til design af protein nanomaterialer."

I deres undersøgelse, forskere brugte et computerprogram udviklet i Baker-laboratoriet kaldet Rosetta. Programmet udnytter det faktum, at den form en aminosyrekæde vil antage, er drevet af tiltræknings- og frastødningskræfterne mellem kædens aminosyrer og væsken, som kæden er nedsænket i. Ved at beregne den form, der bedst afbalancerer disse kræfter, så kæden opnår sit laveste samlede energiniveau, programmet kan forudsige, hvilken form en given aminosyrekæde sandsynligvis vil tage.