Het toneel is klaar voor een nieuw tijdperk van gegevensgestuurde moleculaire engineering van eiwitten, aangezien de vooruitgang in de DNA-synthesetechnologie samengaat met verbeteringen in het computationeel ontwerp van nieuwe eiwitten.

Van deze week Wetenschap rapporteert de grootste schaal testen van vouwstabiliteit voor computationeel ontworpen eiwitten, mogelijk gemaakt door een nieuwe high-throughput-aanpak.

De wetenschappers zijn van het UW Medicine Institute for Protein Design van de University of Washington in Seattle en de University of Toronto in Ontario.

De hoofdauteur van het artikel is Gabriel Rocklin, een postdoctoraal fellow in biochemie aan de University of Washington School of Medicine. De senior auteurs zijn Cheryl Arrowsmith, van het Prinses Margaret Kankercentrum, het Structural Genomics Consortium en de afdeling Medische Biofysica van de Universiteit van Toronto, en David Bakker, UW hoogleraar biochemie en een onderzoeker van het Howard Hughes Medical Institute.

Eiwitten zijn biologische werkpaarden. Onderzoekers willen nieuwe moleculen bouwen, natuurlijk niet gevonden, die taken kan uitvoeren bij het voorkomen of behandelen van ziekten, bij industriële toepassingen, op het gebied van energieproductie, en bij milieusaneringen.

"Echter, computationeel ontworpen eiwitten slagen er vaak niet in om de gevouwen structuren te vormen waarvoor ze zijn ontworpen wanneer ze daadwerkelijk in het laboratorium worden getest, ' zei Rocklin.

In de laatste studie, de onderzoekers testten meer dan 15, 000 nieuw ontworpen mini-eiwitten die niet in de natuur voorkomen om te zien of ze gevouwen structuren vormen. Zelfs grote eiwitontwerpstudies in de afgelopen jaren hebben over het algemeen slechts 50 tot 100 ontwerpen onderzocht.

"We hebben enorm veel geleerd op deze nieuwe schaal, maar de smaak heeft ons een nog grotere eetlust gegeven, " zei Rocklin. "We willen de komende jaren honderdduizenden ontwerpen testen."

De meest recente testen leidden tot het ontwerp van 2, 788 stabiele eiwitstructuren en zou veel toepassingen kunnen hebben op het gebied van bio-engineering en synthetische biologie. Hun kleine formaat kan gunstig zijn voor de behandeling van ziekten wanneer het medicijn de binnenkant van een cel moet bereiken.

Eiwitten zijn gemaakt van aminozuurketens met specifieke sequenties, en natuurlijke eiwitsequenties worden gecodeerd in cellulair DNA. Deze ketens vouwen in 3-dimensionale conformaties. De volgorde van de aminozuren in de ketting gids waar het zal buigen en draaien, en hoe delen zullen samenwerken om de structuur bij elkaar te houden.

Al decenia, onderzoekers hebben deze interacties bestudeerd door de structuren van natuurlijk voorkomende eiwitten te onderzoeken. Echter, natuurlijke eiwitstructuren zijn doorgaans groot en complex, met duizenden interacties die het eiwit gezamenlijk in zijn gevouwen vorm houden. Het meten van de bijdrage van elke interactie wordt erg moeilijk.

De wetenschappers hebben dit probleem aangepakt door hun eigen, veel eenvoudiger eiwitten. Deze eenvoudigere eiwitten maakten het gemakkelijker om de verschillende soorten interacties te analyseren die alle eiwitten in hun gevouwen structuren houden.

"Nog altijd, zelfs eenvoudige eiwitten zijn zo ingewikkeld dat het belangrijk was om duizenden van hen te bestuderen om erachter te komen waarom ze vouwen, ' zei Rocklin. 'Dit was tot voor kort onmogelijk, vanwege de kosten van DNA. Elk ontworpen eiwit heeft zijn eigen op maat gemaakte stukje DNA nodig, zodat het in een cel kan worden gemaakt. Dit heeft eerdere studies beperkt tot het testen van slechts tientallen ontwerpen."

Om hun ontwerpen van korte eiwitten in dit project te coderen, de onderzoekers gebruikten de zogenaamde DNA-oligobibliotheeksynthesetechnologie. Het werd oorspronkelijk ontwikkeld voor andere laboratoriumprotocollen, zoals grote genenassemblage. Een van de bedrijven die hun DNA hebben geleverd, is CustomArray in Bothell, Wash. Ze gebruikten ook DNA-bibliotheken gemaakt door Agilent in Santa Clara, Californië, en Twist Bioscience in San Francisco.

Door de cyclus van berekening en experimenteel testen over verschillende iteraties te herhalen, de onderzoekers leerden van hun ontwerpfouten en verbeterden geleidelijk hun modellering. Het slagingspercentage van hun ontwerp steeg van 6 procent naar 47 procent. Ze produceerden ook stabiele eiwitten in vormen waar al hun eerste ontwerpen faalden.

Hun grote aantal stabiele en onstabiele mini-eiwitten stelde hen in staat om kwantitatief te analyseren welke eiwitkenmerken correleerden met vouwing. Ze vergeleken ook de stabiliteit van hun ontworpen eiwitten met vergelijkbare grootte, natuurlijk voorkomende eiwitten.

Het meest stabiele natuurlijke eiwit dat de onderzoekers identificeerden, was een veel bestudeerd eiwit van de bacterie Bacillus stearothermophilus. Dit organisme koestert zich bij hoge temperaturen, zoals die in warmwaterbronnen en thermische ventilatieopeningen in de oceaan. De meeste eiwitten verliezen hun gevouwen structuur onder zulke hoge temperaturen. Organismen die daar gedijen, hebben zeer stabiele eiwitten ontwikkeld die opgevouwen blijven, zelfs als ze heet zijn.

"In totaal 774 ontworpen eiwitten hadden hogere stabiliteitsscores dan dit meest proteaseresistente monomere eiwit, " merkten de onderzoekers op. Proteasen zijn enzymen die eiwitten afbreken, en waren essentiële instrumenten die de onderzoekers gebruikten om de stabiliteit van hun duizenden eiwitten te meten.

De onderzoekers voorspellen dat, naarmate de DNA-synthesetechnologie blijft verbeteren, eiwitontwerp met hoge doorvoer wordt mogelijk voor grotere, complexere eiwitstructuren.

"We stappen af ​​van de oude stijl van eiwitontwerp, dat was een mix van computermodellering, menselijke intuïtie, en kleine stukjes bewijs over wat voorheen werkte.' zei Rocklin. 'Eiwitontwerpers waren als meesters die hun ervaring gebruikten om elk stuk in hun werkplaats met de hand te beeldhouwen. Soms werkten dingen, maar toen ze faalden, was het moeilijk te zeggen waarom. Met onze nieuwe aanpak kunnen we een enorme hoeveelheid gegevens verzamelen over wat eiwitten stabiel maakt. Deze gegevens kunnen nu het ontwerpproces aansturen."