Voor de eerste keer, wetenschappers hebben gemaakt, helemaal vanaf nul, een eiwit dat in staat is te binden aan een klein doelmolecuul. Onderzoekers van de University of Washington School of Medicine rapporteren de vooruitgang in het nummer van 12 september van het tijdschrift Natuur .

Eerder, dergelijke bindingseiwitten met kleine moleculen zijn gemaakt door eiwitten te veranderen die al in de natuur bestaan. Die aanpak beperkte de mogelijkheden aanzienlijk. Het vermogen om dergelijke eiwitten helemaal opnieuw te maken, of "de nieuwe, " opent de weg voor wetenschappers om eiwitten te maken die anders zijn dan in de natuur. Deze eiwitten kunnen op maat worden ontworpen met hoge precisie en affiniteit om te binden aan en te werken op specifieke kleine moleculedoelen.

De hoofdauteurs van het artikel zijn Jiayi Dou en Anastasia A. Vorobieva, beide senior fellows in het lab van senior auteur David Baker, hoogleraar biochemie aan de UW School of Medicine en directeur van het Institute of Protein Design aan UW Medicine. Baker is ook een onderzoeker bij het Howard Hughes Medical Institute.

De techniek moet breed worden toegepast in onderzoek, geneeskunde en industrie, volgens Bakker.

"Het succesvolle de novo-ontwerp van op maat gemaakte eiwitten met bindingsactiviteit met kleine moleculen vormt de basis voor de creatie van steeds geavanceerdere bindingseiwitten die niet de beperkingen zullen hebben die worden gezien met eiwitten die zijn ontworpen door bestaande eiwitstructuren te veranderen, " hij legde uit.

Om het eiwit te maken, de onderzoekers moesten nog een primeur bereiken:vanaf het begin een cilindervormig eiwit maken dat een bèta-vat wordt genoemd. De bèta-vatstructuur was ideaal omdat het ene uiteinde van de cilinder kon worden ontworpen om het eiwit te stabiliseren, terwijl het andere uiteinde zou kunnen worden gebruikt om een ​​holte te creëren die kan dienen als de bindingsplaats voor het doelmolecuul.

Eiwitten zijn opgebouwd uit lange ketens van aminozuren. Eenmaal gesynthetiseerd, deze ketens vouwen zich in precieze vormen die de eiwitten in staat stellen hun functies uit te voeren. De vormen die deze kettingen aannemen zijn typisch ongelooflijk ingewikkeld, maar twee vaste kenmerken komen vaak voor:alfa-helices, die zich vormen wanneer de ketting van de secties rond een centrale as slingert, en bladachtige structuren, zogenaamde beta-sheets.

Beta-sheets worden gevormd wanneer twee of meer secties van verschillende delen van de aminozuurketen, vanwege het vouwen, lopen zij aan zij in de 3D-ruimte. Deze secties zijn "aan elkaar genaaid" door waterstofbruggen, het creëren van een bladachtige structuur. Deze beta-sheets, beurtelings, kan assembleren tot tonachtige structuren, bèta-vaten genoemd. In de natuur, beta-vaten eiwitten binden een breed scala aan kleine moleculen.

Om het nieuwe eiwit te ontwerpen, Dou en Vorobieva gebruikten een softwareplatform, ontwikkeld in het Baker-lab, Rosetta genoemd. Het kan voorspellen welke vorm een ​​bepaalde keten van aminozuren zal aannemen na synthese en kan vertellen hoe het veranderen van individuele aminozuren langs de keten die vorm kan veranderen. Deze voorspellende kracht maakt het mogelijk om verschillende combinaties van aminozuren uit te testen om een ​​eiwit te ontwerpen met de gewenste vorm en functie.

Om de holte te creëren, gebruikten de onderzoekers een krachtig nieuw docking-algoritme, genaamd "Rotamer Interaction Field" (RIF), ontwikkeld door William Sheffler, een senior onderzoeker in het Baker-lab. RIF identificeert snel alle mogelijke structuren van holtes die voldoen aan de vereisten voor het binden van specifieke moleculen.

Uitgerust met de nieuwe RIF-dockingmethoden, Doe jij, Vorobieva en Sheffler ontwierpen de bèta-vaten om een ​​verbinding genaamd DFHBI te binden, een component die lijkt op wat zich in groen fluorescerend eiwit bevindt, die fluoresceert bij blootstelling aan bepaalde lichtfrequenties. Groen fluorescerend eiwit wordt routinematig gebruikt in biologisch onderzoek om moleculen en structuren in levende organismen te lokaliseren en hun beweging te volgen.

In hun krant de onderzoeker toonde aan dat hun speciaal ontworpen eiwit de DFHBI-verbinding gretig bond en activeerde.

"Het werkte in bacteriële, gist- en zoogdiercellen, " zei Dou, "en half zo groot zijn als groen fluorescerend eiwit zou zeer nuttig moeten zijn voor onderzoekers."

Baker zei dat de aanpak onderzoekers in staat zal stellen een effectief onbeperkt aantal ruggengraatstructuren te verkennen met vormen die zijn aangepast om het betreffende molecuul te binden.

"Even belangrijk, " hij voegde toe, "het verbetert ons begrip van de determinanten van eiwitvouwing en -binding enorm, verder dan wat we hebben geleerd van het beschrijven van bestaande eiwitstructuren."