Er zijn synthetische eiwitten gemaakt die op voorspelbare en afstembare manieren in reactie op hun omgeving bewegen. Deze beweeglijke moleculen zijn helemaal opnieuw ontworpen op computers, vervolgens geproduceerd in levende cellen.

Functioneren, natuurlijke eiwitten verschuiven hun vorm vaak op precieze manieren. Bijvoorbeeld, het bloedeiwit hemoglobine moet buigen als het zich bindt aan een zuurstofmolecuul en dit afgeeft. Het bereiken van vergelijkbare moleculaire beweging door ontwerp, echter, is een langdurige uitdaging geweest.

Het nummer van 17 mei van Wetenschap rapporteert het succesvolle ontwerp van moleculen die van vorm veranderen als reactie op pH-veranderingen. (pH is een chemische schaal van basisch tot zuur.)

Het Institute for Protein Design van de University of Washington School of Medicine leidde het multi-institutionele onderzoek.

De onderzoekers wilden synthetische eiwitten maken die zichzelf assembleren tot ontworpen configuraties bij neutrale pH en snel uiteenvallen in de aanwezigheid van zuur.

De resultaten toonden aan dat deze dynamische eiwitten bewegen zoals bedoeld en hun pH-afhankelijke beweging kunnen gebruiken om lipidemembranen te verstoren, inclusief die op het endosoom, een belangrijk compartiment in cellen.

Dit membraanverstorende vermogen zou nuttig kunnen zijn bij het verbeteren van de werking van geneesmiddelen. Omvangrijke medicijnmoleculen die aan cellen worden afgeleverd, komen vaak vast te zitten in endosomen. Zit daar vast, ze kunnen hun beoogde therapeutische effect niet uitvoeren.

De zuurgraad van endosomen verschilt van de rest van de cel. Dit pH-verschil fungeert als een signaal dat de beweging van de ontwerpmoleculen in gang zet, waardoor ze het endosoommembraan kunnen verstoren.

"Het vermogen om synthetische eiwitten te ontwerpen die op voorspelbare manieren bewegen, zal een nieuwe golf van moleculaire medicijnen mogelijk maken, " zei senior auteur David Baker, hoogleraar biochemie aan de UW School of Medicine en directeur van het Institute for Protein Design. "Omdat deze moleculen endosomen kunnen doorlaten, ze hebben een grote belofte als nieuwe hulpmiddelen voor het toedienen van medicijnen."

Wetenschappers hebben lang geprobeerd om endosomale ontsnapping mogelijk te maken.

"Verstorende membranen kunnen giftig zijn, dus het is belangrijk dat deze eiwitten alleen onder de juiste omstandigheden en op het juiste moment activeren, als ze eenmaal in het endosoom zijn, " zei Scott Boyken, een recente postdoctorale fellow in het Baker-lab en hoofdauteur van het recente project.

Boyken bereikte moleculaire beweging in zijn designer-eiwitten door een chemische stof op te nemen die histidine wordt genoemd. In neutrale (noch basische noch zure) omstandigheden, histidine draagt ​​geen elektrische lading. In aanwezigheid van een kleine hoeveelheid zuur, het pikt positieve lading op. Dit voorkomt dat het deelneemt aan bepaalde chemische interacties. Dankzij deze chemische eigenschap van histidine kon het team eiwitassemblages maken die uit elkaar vallen in de aanwezigheid van zuur.

"Het ontwerpen van nieuwe eiwitten met bewegende delen is een langetermijndoel van mijn postdoctorale werk geweest. Omdat we deze eiwitten helemaal opnieuw hebben ontworpen, we waren in staat om het exacte aantal en de locatie van de histidines te controleren, "zei Boyken. "Hierdoor kunnen we de eiwitten afstemmen om uit elkaar te vallen op verschillende niveaus van zuurgraad."

Andere wetenschappers van het UW, De Staatsuniversiteit van Ohio, Lawrence Berkeley Nationaal Laboratorium, en de Janelia Research Campus van het Howard Hughes Medical Institute hebben bijgedragen aan dit onderzoek.

Degenen in Vicki Wysocki's Group bij OSU gebruikten inheemse massaspectrometrie om de hoeveelheid zuur te bepalen die nodig is om demontage van de eiwitten te veroorzaken. Ze bevestigden de ontwerphypothese dat het hebben van meer histidines op grensvlakken tussen de eiwitten ervoor zou zorgen dat de assemblages sneller zouden instorten.

Medewerkers in het Kelly Lee-lab van de UW School of Pharmacy toonden aan dat de designer-eiwitten kunstmatige membranen verstoren op een pH-afhankelijke manier die het gedrag van natuurlijke membraanfusie-eiwitten weerspiegelt.

Vervolgexperimenten uitgevoerd in het laboratorium van Jennifer Lippincott-Schwartz op de Janelia Research Campus van HHMI toonden aan dat de eiwitten ook endosomale membranen in zoogdiercellen verstoren.

Opnieuw ontworpen virussen die aan endosomen kunnen ontsnappen, zijn de meest gebruikte voertuigen voor medicijnafgifte. maar virussen hebben beperkingen en nadelen. De onderzoekers zijn van mening dat een medicijnafgiftesysteem dat alleen is gemaakt van designer-eiwitten de efficiëntie van virale afgifte zou kunnen evenaren zonder de inherente nadelen.