EPFL-wetenschappers hebben een computationele methode ontwikkeld voor het modelleren en ontwerpen van eiwitallosterie die de nauwkeurige en rationele engineering en zelfs herbestemming van celreceptoren mogelijk maakt. De methode kan een belangrijk hulpmiddel zijn voor de ontwikkeling van geneesmiddelen.

Het "tweede geheim van het leven" genoemd, " allotery is een van de meest fundamentele processen van de biologie en is een centraal aandachtspunt geweest onder wetenschappers in het hele spectrum van de levenswetenschappen, van fundamentele biologie tot medicijnontwikkeling.

Maar wat is allosterie? In de nooit eindigende dans van regulering in de cel, allotery is het proces waarbij eiwitten - en andere biologische moleculen - indirect de activiteit van andere biomoleculen zoals receptoren kunnen reguleren.

De sleutel hier is 'indirect'. Normaal gesproken, eiwitten en andere liganden zullen hun doelmolecuul binden, bijv. een receptor of enzym, op een hoofdgebied dat de 'actieve site' wordt genoemd. Eenmaal gebonden, het ligand triggert een biochemische dominosteen die resulteert in een bepaald effect.

Maar in allosterie, liganden binden enzymen of receptoren op andere plaatsen dan de actieve plaats, en verschillende effecten veroorzaken. Bijvoorbeeld, allosterische binding kan de activiteit van een receptor helemaal verminderen of zelfs stoppen. Het voordeel hier voor gebieden zoals medicijnontwikkeling is dat allosterische liganden niet hoeven te concurreren om de actieve plaats, maar oefent eerder hun effecten uit via een "zijdeur".

Nutsvoorzieningen, het lab van Patrick Barth van EPFL's Institute of Bioengineering heeft een rekenmethode ontwikkeld voor het voorspellen en zelfs ontwerpen van allosterische functies in eiwitten. Gepubliceerd in Natuur Chemische Biologie , de wetenschappers laten zien dat hun methode kan worden gebruikt voor het voorspelbaar ontwerpen van signaalfuncties in receptoren die behoren tot de grote familie van G-eiwit-gekoppelde receptoren (GPCR's).

De wetenschappers begonnen met moleculaire dynamica-simulaties, een computertechniek die de fysieke bewegingen van atomen en moleculen modelleert. Dit gebruiken om GPCR's te modelleren, ze waren in staat om allosterische plaatsen op de dopaminereceptor te identificeren, een GPCR in het zenuwstelsel die wordt geactiveerd door de neurotransmitter dopamine. Dopamine is betrokken bij functies zoals motorische controle, motivatie, opwinding, versterking, beloning, borstvoeding, seksuele bevrediging, en misselijkheid.

Vervolgens pasten ze een nieuwe methode toe die in het laboratorium was ontwikkeld en die snel kan evolueren in silico-eiwitsequenties voor specifieke dynamische en allosterische eigenschappen. Hierdoor konden de wetenschappers allosterische varianten van een GPCR ontwerpen:receptoren met kleine verschillen in de locaties van hun structuur waar liganden allosterisch kunnen binden.

Deze locaties worden "microschakelaars" genoemd en kunnen het hele gedrag van de receptor veranderen. "We waren in staat om op deze locaties nieuwe aminozuurmicroschakelaars te ontwikkelen, die specifieke allosterische signaleringseigenschappen kan herprogrammeren, ' zegt Bart.

De onderzoekers maakten maar liefst 36 varianten van de dopaminereceptor D2, die de cognitieve flexibiliteit bij mensen reguleert en het belangrijkste doelwit is voor de meeste antipsychotica. In een geval, de wetenschappers waren in staat om de D2-receptor volledig om te vormen tot een serotonine-biosensor, waardoor het in wezen vatbaar wordt voor een geheel nieuwe neurotransmitter.

Na binding van serotonine, de opnieuw ontworpen receptor vertoonde krachtige signaalreacties die overeenkwamen met de voorspellingen die de wetenschappers hadden gedaan met behulp van hun rekenmethode. Deze nauwkeurigheid was niet alleen beperkt tot die ene variant; de onderzoekers konden de effecten voorspellen van meer dan honderd bekende mutaties op de signaleringsactiviteiten van verschillende GPCR's.

Eindelijk, het is belangrijk op te merken dat de nieuwe methode het mogelijk maakt wat chemici en bio-ingenieurs 'rationeel ontwerp' noemen:een strategie die computermodellering gebruikt om te voorspellen hoe de structuur en dynamiek van het nieuwe molecuul zijn gedrag zal beïnvloeden.

"Tot dusver, eiwitontwerp heeft zich vooral gericht op het ontwerpen van stabiele eiwitstructuren en interacties zonder dynamiek, " zegt Barth. "Ons werk toont de ontwikkeling en validatie aan van de eerste computationele benadering die de voorspelling en het rationele ontwerp van allosterische dynamische functies van eiwitten mogelijk maakt; het zet de toon voor het ontwerpen van signaalreceptoren met precieze functies voor cel-engineeringbenaderingen en het voorspellen van de effecten van genetische variaties op eiwitfuncties voor gepersonaliseerde geneeskunde, evenals het ontwerpen van nieuwe allosterische eiwitten en betere medicijnen vanaf het begin."