Cryogene (bevroren) eiwitstructuren staan ​​centraal voor het begrijpen van de functie en het ontwikkelen van medicijnen. Wetenschappers van het St. Jude Children's Research Hospital hebben een algoritme gemaakt om te onthullen wanneer het bevriezen van de eiwitten "artefacten" kan veroorzaken, fouten die misleidende resultaten opleveren. Het onderzoek verscheen onlangs in Angewandte Chemie International Edition en benadrukte het belang van waternetwerken in eiwit-ligand-interacties. De bevindingen dagen de algemene opvatting uit dat goed opgeloste cryogene waterposities zowel nauwkeurig als nauwkeurig zijn.

Liganden zijn moleculen die binden aan een receptoreiwit. Wanneer een ligand aan een eiwit bindt, kan de conformatie (vorm) veranderen, waardoor verschillende soorten activiteit in de cel worden geïnitieerd. Eiwit-ligandbinding en de resulterende vormveranderingen zijn cruciale elementen om te overwegen tijdens inspanningen voor de ontwikkeling van geneesmiddelen.

"Als je alleen naar de cryogene gegevens kijkt, bevat de informatie die wordt gebruikt voor het ontdekken van medicijnen artefacten die je niet zou weten als ze er waren", zegt de corresponderende auteur Marcus Fischer, Ph.D., St. Jude Departments of Chemical Biology en Therapeutica en structurele biologie. "We hebben een manier ontwikkeld om die artefacten te ontwarren. Door gepaarde vergelijkingen tussen cryogene en kamertemperatuur te gebruiken, kun je delen van het eiwit lokaliseren die worden beïnvloed door temperatuur."

Onderzoekers gebruiken vaak beschikbare eiwitstructuren door de informatie uit een database te halen, de Research Collaboratory for Structural Bioinformatics Protein Data Bank. Ongeveer 95% van die structuren wordt cryogeen vastgelegd en vervolgens gemodelleerd in de database voor gebruiksgemak. Drugsontdekkers kijken zelden nauwkeurig naar de ruwe experimentele gegevens, die de vorm hebben van een elektronendichtheidskaart. Het ondervragen van kaarten in plaats van structurele modellen biedt een onbevooroordeelde benadering om dynamische kenmerken en cryogene artefacten te onthullen.

Flipper-algoritme markeert belangrijke wijzigingen

Fischer en zijn team ontwikkelden een algoritme, Flipper genaamd, dat kijkt naar de onbewerkte experimentele gegevens in elektronendichtheidskaarten. Flipper identificeert kaartpieken (signalen) die anders onzichtbaar zouden zijn. Deze pieken komen overeen met de delen van eiwitten van specifieke residuen die temperatuurgevoelige conformaties hebben. Deze residuen kunnen de relatieve voorkeur voor de ene toestand boven de andere veranderen, of "omdraaien" in hun dichtheid, bewegend tussen conformaties, waar het algoritme zijn naam aan te danken heeft.

De onderzoekers gebruikten deze aanpak om residuen te identificeren die reageren op temperatuurveranderingen en om de residuen in een barcode-achtig systeem over het hele eiwit te volgen. Hierdoor konden wetenschappers zien hoe residuen binnen en buiten de ligandbindingsplaats reageren op bevriezings- of opwarmingstemperaturen.

"Met Flipper kunnen we kleine maar belangrijke veranderingen in eiwitstructuren detecteren door temperatuur of andere factoren", zegt eerste auteur Timothy Stachowski, Ph.D., St. Jude Chemical Biology and Therapeutics. "Het is belangrijk om deze details in een vroeg stadium van het medicijnontdekkingsproces correct te krijgen, anders kunnen onderzoeksinspanningen op een dwaalspoor worden gebracht."

Omdat de temperatuur- en waternetwerkeffecten een groot aantal structuren beïnvloeden, kunnen de bevindingen een wijdverbreide invloed hebben op de ontwikkeling van geneesmiddelen.

Een nieuwe waardering voor waternetwerken

Gewapend met hun nieuwe aanpak voerden de onderzoekers een systematische analyse uit die het belang van waternetwerken aantoonde. Water, een van de meest cruciale en overvloedige moleculen op aarde, speelt een actieve rol in het proces van bevriezing van conformaties. Dit geldt met name op eiwit-ligand bindingsplaatsen.

"Dit is de eerste keer dat we systematisch het belang van temperatuur op waternetwerken hebben aangetoond voor het moduleren van de ligandbindingsinterface, waar biologie plaatsvindt," zei Fischer. "Water wordt vaak genegeerd in het proces van het ontdekken van geneesmiddelen, maar we hebben aangetoond dat water niet alleen een diepgaand effect heeft op de ligandbinding, maar ook de residuen van de bindingsplaats beïnvloedt, door ze vast te leggen op posities die verschillen afhankelijk van de temperatuur."

Flipper en het conformationele barcodesysteem dat vergelijkingen van verschillende liganden bij verschillende temperaturen mogelijk maakt, is vrij beschikbaar om andere onderzoekers in staat te stellen dergelijke patronen in hun eigen datasets te identificeren. + Verder verkennen

Het vergelijken van cryogene structuren met monsters op kamertemperatuur kan helpen bij het identificeren van fouten in rekenmodellen