Inspirowane klockami LEGO białkowe elementy budulcowe mogą znaleźć wiele zastosowań terapeutycznych
Białka odgrywają kluczową rolę w procesach komórkowych jako pojedyncze jednostki lub w kompleksach z innymi białkami. Znajdują także zastosowanie w terapii jako przeciwciała, cytokiny lub składniki szczepionek. Ponadto mogą być wykorzystywane jako elementy budulcowe nanomateriałów. Chociaż możliwe jest skuteczne projektowanie i testowanie białek jednołańcuchowych, rozwój terapii celowanych różnych chorób wymaga zastosowania dużych kompleksów białek złożonych z kilku łańcuchów białkowych. Jednak słabe oddziaływania pomiędzy interfejsami białko-białko utrudniają powodzenie metod składania de novo kompleksów białkowych.
Białkowe elementy budulcowe dla konstrukcji modułowych
W odpowiedzi na problemy techniczne związane z interakcjami interfejsu białkowego zespół projektu CC-LEGO postanowił opracować zestaw narzędzi inspirowany klockami LEGO w nanoskali, który składać się będzie z dobrze zdefiniowanych elementów budulcowych do składania białek. Badania prowadzone były przy wsparciu z działań „Maria Skłodowska-Curie” i miały na celu opracowanie struktur białkowych, które znajdą zastosowanie w terapii i dostarczaniu leków. Badacze zaprojektowali jedne z najlepiej poznanych struktur białkowych z motywem zwiniętej cewki (ang. coiled coil), a następnie połączyli je z innymi białkami, aby stworzyć elementy budulcowe przypominające klocki LEGO. Wszystkie białka zostały zaprojektowane komputerowo z wykorzystaniem oprogramowania Rosetta, które pomaga w zrozumieniu makrocząsteczkowych interakcji i projektowaniu odpowiednich cząsteczek. Białka te były następnie wytwarzane w bakteriach i testowane w laboratoriach pod względem ich funkcjonalności. Z kolei struktury zostały opracowane z wykorzystaniem mikroskopii krioelektronowej. „Stworzyliśmy zupełnie nowe białka, które wcześniej nie występowały naturalnie”, mówi stypendysta działania „Maria Skłodowska-Curie”, Ajasja Ljubetič.
Rozwój dostarczania leków
Odwracalny heterodimer, mALb8, będący lepkim modelem typu „lock and key”, okazał się użytecznym elementem budulcowym większych związków. mALb8 wraz z innymi komponentami został użyty do stworzenia dużej ikosaedralnej klatki reagującej na odczyn pH. Klatki te mogą służyć do dostarczania leków i uwalniać substancje w środowisku o niskim pH, na przykład w lizosomie. Klatka pH została zbudowana hierarchicznie z mniejszych elementów. Było to możliwe dzięki nowej metodologii pozwalającej na sztywne łączenie białek pod określonymi kątami, w efekcie czego powstają klatki o zdefiniowanej symetrii i architekturze. W tym celu naukowcy wykorzystali algorytm WORMS, aby nie zaburzyć istniejących interfejsów białko-białko. Co więcej, zaprojektowano nowe włókna za pomocą obliczeniowego połączenia tych białkowych elementów budulcowych z geometrią włókien. Opracowane w ten sposób włókna zostały sfunkcjonalizowane za pomocą elastycznie przyłączonych heterodimerycznych spoiw i mogą pełnić funkcję toru dla przemieszczającego się białka. „Jest to najbardziej ekscytujący wynik projektu, ponieważ włókno może służyć za rusztowanie dla maszyn molekularnych, co stanowi potwierdzenie potencjału projektowania białek”, mówi Ljubetič.
Transfer wiedzy
Kolejnym ważnym aspektem wspieranego przez działania „Maria Skłodowska-Curie” projektu był transfer wiedzy ze Stanów Zjednoczonych do Unii Europejskiej. Ljubetič wykorzysta tę najnowocześniejszą metodę projektowania białek de novo w swoim laboratorium w Narodowym Instytucie Chemii w Słowenii. Przeprowadził także warsztaty „De novo design of proteins using Rosetta and Alphafold 2” („Projektowanie de novo białek przy użyciu Rosetta i Alphafold 2”). „Wprowadzenie tak innowacyjnych metodologii w projektowaniu białek powinno zwiększyć widzialność i wzmocnić potencjał krajów UE w dziedzinie nanomateriałów białkowych”, podsumowuje Ljubetič.
Słowa kluczowe
CC-LEGO, białko, klatka, włókna, projektowanie białek, dostarczanie leków, nanomateriał, Rosetta, zwinięta cewka, „coiled coil”
