Cyclische eiwitten die zijn samengesteld uit meerdere identieke subeenheden (homo-oligomeren) spelen een sleutelrol in veel biologische processen, inclusief celsignalering en enzymatische katalyse en eiwitfunctie. Onderzoekers van de afdeling Molecular Biophysics and Integrated Bioimaging (MBIB) van Berkeley Lab werkten samen met David Baker van de University of Washington, die een team leidde om in silico te ontwerpen en zelfassemblerende cyclische homo-oligomeer-eiwitten te kristalliseren.

Door deze hogere-orde oligomeren te voorspellen en te ontwerpen, Baker en zijn team hebben inzicht gekregen in de fundamentele principes die ten grondslag liggen aan oligomeer-oligomeer-interacties. Naast de interne interacties van het eiwit zelf, deze ontworpen oligomeren kunnen worden gebruikt om fundamentele vragen te onderzoeken over hoe de structuur van signaalmoleculen het gedrag van receptoren en cellulaire respons beïnvloedt.

Er werd een strategie ontwikkeld om interfaces op geïdealiseerde eiwitten te ontwerpen die erop gericht zijn hun assemblage in multimere complexen te leiden. Onderzoekers van Berkeley Lab gebruikten structurele karakterisering - zowel röntgenkristallografie als kleine hoek röntgenverstrooiing (SAXS) - om aan te tonen dat veel van de ontwerpen de doeloligomerisatietoestand en voorspelde structuur overnamen. Hun werk toont niet alleen aan dat wetenschappers een basiskennis hebben van wat oligomerisatie bepaalt, het laat ook zien dat ze eiwitten kunnen ontwerpen met een afstembare vorm, maat, en symmetrie voor een verscheidenheid aan biologische toepassingen.

Een deel van het röntgenkristallografiewerk dat in het artikel is opgenomen, werd uitgevoerd onder auspiciën van het Crystallography Collective-programma, die wordt gerund door onderzoekswetenschapper Banumathi Sankaran bij de Advanced Light Source. Collega-onderzoeker Henrique Pereira kristalliseerde de eiwitten die zijn ontworpen door de onderzoekers van de Universiteit van Washington. Sankaran en Peter Zwart, MBIB stafwetenschapper, verzamelde kristallografische gegevens op Beamline 5.0.2 in het Berkeley Center for Structural Biology en loste de structuren op. Om informatie te krijgen over de ontworpen eiwitdynamiek, Kathryn Burnett en Greg Hura van MBIB voerden SAXS uit op de SIBYLS-bundellijn.

Pereira, Sankaran, en Zwart zijn co-auteurs van verschillende artikelen met Baker en zijn team, die allemaal een thema volgen van eiwitontwerp en structuurvalidatie.

"Cyclische homo-oligomeren spelen een belangrijke rol in de biologische functie, " zei Sankaran. "Hier hebben we nog een synthetisch ontwerp waarvan bewezen is dat het overeenkomt met het computationele ontwerp met zowel kleine-hoekoplossingsstudies als röntgenverstrooiing."

Dit werk, samen met de gebogen bèta-plaat en trimere metalloproteïne-ontwerpen, de mogelijkheden voor de ontwikkeling van nieuwe therapieën en biomaterialen te verbreden.