In een nieuw rapport dat nu is gepubliceerd op Wetenschap , Robby Divine en een interdisciplinair onderzoeksteam van de afdeling biochemie, regeneratieve geneeskunde, en vaccins en infectieziekten aan de University of Washington U.S. en de School of Medicine, aan de Universiteit van Medische Wetenschappen van Teheran, Iran, voerde computationele ontwerpen uit van nanokooien om antilichamen te assembleren tot precieze architecturen. Tijdens de bouw, één structurele component vormde een antilichaam of Fc-ligandfusie en het tweede ontwerp vormde een antilichaambindend homo-oligomeer om nanokooi-assemblage met verschillende valenties en symmetrie aan te sturen. Het team veronderstelt hoe dit proces ook de neutralisatie van een pseudovirus kan verhogen; ernstig acuut respiratoir syndroom coronavirus-2 (SARS-COV-2) via α-SARS-COV-2 monoklonale antilichamen en Fc-angiotensine-converting enzyme 2 (ACE-2) fusie-eiwitten.

Antilichamen in medisch onderzoek

Antilichamen die zich specifiek binden aan interessante doelwitten spelen een centrale rol in biomedisch onderzoek en geneeskunde. Onderzoekers kunnen clusters van antilichamen genereren door antilichaamfragmenten genetisch aan elkaar te koppelen om de signalering te verbeteren. Het is momenteel moeilijk om antilichaamassemblages te vormen met een verscheidenheid aan precieze architecturen en valenties. In dit werk, Goddelijk et al. computationeel ontworpen eiwitten die antilichamen samenvoegden tot precieze architecturen met verschillende valenties en symmetrieën. Het team veronderstelde dat dergelijke ontwerpen op robuuste wijze willekeurige antilichamen in homogene en structureel goed gedefinieerde nanokooien zouden kunnen drijven voor uitgesproken effecten op celsignalering. De onderzoekers ontwierpen eiwitten om de assemblage van willekeurige antilichamen in symmetrische assemblages met goed gedefinieerde structuren te drijven. Voor deze, ze fuseerden stijf drie soorten "bouwsteen" -eenheden die antilichaam-Fc-bindende domeinen bevatten, spiraalvormige herhalingsconnectoren en cyclische oligomeervormende modules. In zijn architectuur, de Fc-bindingseenheid positioneerde zichzelf met het C2-antilichaamdimeer, de cyclische homo-oligomeer vormde de tweede cyclische symmetrie-as in de nanokooi, en de spiraalvormige herhalingsconnector verbond de antilichaam- en cyclische homo-oligomeer-symmetrie-assen in de juiste oriëntatie om de antilichaam-nanokooien te vormen waarnaar wordt verwezen als de AbC's.

Om antilichaamkooi (AbC)-ontwerpen te vormen, Goddelijk et al. star gefuseerde antilichaam constante domein-bindende moleculen aan cyclische oligomeren met behulp van helix spacer domeinen. Ze faciliteerden het proces door middel van helix spacer-domeinen, zodat de symmetrie-assen van het dimere antilichaam en cyclische oligomeer zich op oriëntaties zouden kunnen bevinden die verschillende tweevlaks- of polyedrische architecturen genereerden. De wetenschappers optimaliseerden de verbindingsgebieden tussen de verbonden bouwstenen om te vouwen tot de ontworpen structuren. De fusiebenadering was gebaseerd op grote sets bouwstenen met veel mogelijke fusielocaties per bouwsteen als strikte geometrische criteria om de gewenste symmetrische architectuur te vormen. Het team gebruikte een computationele methode voor het ontwerp van een antilichaamkooi om tweevlakshoeken, tetraëdrisch, octaëdrische en icosaëdrische AbC's en gebruikten een naamgevingsconventie om de uiteindelijke nanokooi-architecturen te beschrijven. Goddelijk et al. next bracht synthetische genen tot expressie die coderen voor de ontwerpen in bacterieculturen van Escherichia coli. Bijvoorbeeld, de succesvolle ontwerpen omvatten D-2 decaëdrische (drie ontwerpen), T-32 (één ontwerp) en 152 icosahedrale (twee ontwerpen) architecturen met twee, zes, 12 of 30 antilichamen, respectievelijk. Ze karakteriseerden de Fc AbC's met behulp van kleine-hoek röntgenverstrooiing en elektronenmicroscopie. De gereconstrueerde nanokooien kwamen goed overeen met de computationele ontwerpmodellen. Om de stabiliteit van nanokooien te beoordelen, Goddelijk et al. gebruikte dynamische lichtverstrooiingsmetingen om bemoedigende stabiliteit te verkrijgen om vervolgens de karakterisering van hun biologische impact mogelijk te maken.

Effecten op celsignalering

De ontworpen AbC's boden een algemeen platform om het effect van valentie en geometrie van receptorbetrokkenheid op activering van signaalroutes te begrijpen. Het brede scala aan receptorbindende antilichamen en natuurlijke liganden gevormd met de AbC-methode die in dit werk is ontwikkeld, maakte een klaar en systematisch onderzoek mogelijk van het effect van geometrie en valentie van receptorsubeenheidassociatie op celsignalering voor bijna elke route. Om de bruikbaarheid van deze aanpak te onderzoeken, Goddelijk et al. geassembleerde antilichamen of Fc-ligandfusies gericht op een verscheidenheid aan signaalroutes in antilichaamkooien (AbC's) en bestudeerden hun impact op signalering. Bijvoorbeeld, de AbC's, gevormd met een dood-receptor-targeting antilichaam geïnduceerde apoptose (celdood) van tumorcellijnen die tot nu toe onaangetast waren gebleven door het oplosbare antilichaam of de natuurlijke ligand. In aanvulling, de assemblage van Fc-fusies of antilichamen in AbC's, maakte verbeterde signalering van de angiopoëtineroute mogelijk, CD-40-signalering en T-celproliferatie. De AbC-vorming maakte verder de neutralisatie van een in vitro pseudovirus mogelijk, zoals ernstig acuut respiratoir syndroom coronavirus 2.

De methode die in dit werk wordt beschreven, ging verder dan eerdere inspanningen op het gebied van computationeel ontwerp om eiwitnanomaterialen te maken die vorm en functie integreren. De AbC's gebruikten daarom antilichamen als zowel structurele als functionele componenten om een ​​breed scala aan geometrieën en oriëntaties te bereiken. Deze strategie is van toepassing op het ontwerpen van vaccins met nanokooien die zijn geassembleerd met virale glycoproteïnen met behulp van componenten die eindigen in glycoproteïnebindende domeinen om de nabijheid van actieve plaatsen te maximaliseren. Op deze manier, Robby Divine en collega's ontwierpen meerdere antilichaamkooivormende eiwitten om elk eiwitbindend antilichaam nauwkeurig in nanokooien te clusteren door middel van gecontroleerde valentie en geometrie. Het team gebruikte twee, zes en 12 of 30 antilichamen in de AbC's door het antilichaam eenvoudigweg te mengen met het overeenkomstige ontworpen eiwit zonder aanvullende covalente modificaties. De wetenschappers voegden receptorbindende of virusneutraliserende antilichamen toe aan ABC's om hun biologische activiteit in verschillende celsystemen te verbeteren. Het team verwacht dat dit resultaat voor snelle antilichaamassemblage in geordende nanokooien zonder covalente modificaties brede toepassingen zal hebben in onderzoek en geneeskunde.

© 2021 Science X Network