Proteini i enzimi obavljaju nekoliko ključnih funkcija unutar ljudskog tela. Za dizajniranje funkcionalnog proteina, važno je biti u stanju da kontrolišete strukturu proteinskih nabora i razumete odnos između sekvence, strukture i stabilnosti proteina. Nedavni razvoj računarske biologije omogućio je de novo dizajn proteina sa različitim naborima i strukturama.
Jedna takva struktura je nabor proteina triosefosfat izomeraze (TIM), koji se javlja u skoro 10% svih enzima, i uključen je u metabolizam posredovan proteinima. Ima jednostavnu strukturu sa ponavljajućim beta/alfa podjedinicama koje su povezane promenljivim petljama i stoga se široko koristi kao skela za dizajniranje drugih proteina. Međutim, nije u potpunosti iskorišćen za dizajniranje funkcionalnih proteina, zbog izazova u promeni njegove ukupne arhitekture.
Nedavno je tim istraživača predvođen dr Po-Ssu Huangom sa Univerziteta Stanford sproveo studiju kako bi istražio da li struktura centralnog beta bureta može biti izmenjena de novo, istovremeno eliminišući strukturne petlje i poboljšavajući njegovu stabilnost. Njihov cilj je bio da dizajniraju TIM barel protein sa visokom stabilnošću i funkcionalnim svojstvima, a njihovi nalazi su objavljeni u BioDesign Research.
„Iako je protein TIM bačve prethodno dizajniran de novo, bilo je teško fino izmeniti zakrivljenost njegovog centralnog beta bureta, ograničavajući na taj način njegovu korisnost za funkcionalni dizajn“, kaže dr Huang dok raspravlja o prethodnim pokušajima stvaranja funkcionalnog proteina koristeći preklop TIM cevi.
Prvo, tim je koristio okvir RosettaRemodel (24) da generiše i identifikuje idealne proteinske kičme koristeći autoregresivni pristup. Zatim su koristili iterativni protokol dizajna sekvenci da bi generisali više sekvenci sa visokim udelom uspešno sklopivih dizajna.
Zajedno sa sintezom proteina i određivanjem strukture, TIM barrel protein je razvijen de novo sa dvostrukom (ovoidnom) simetrijom i potpuno novom sintaksom, odnosno topološkom informacijom i novom sekvencom. Kristalna struktura ovog proteina je veoma ličila na model dizajna koji je kreirao tim, potvrđujući njihovu hipotezu o dizajnu.
Što se tiče strukturnih osobina TIM bačvenog proteina, dr Huang kaže: „Dizajnirani protein je pokazao izduženu arhitekturu β bureta sa petljama koje nisu bile strukturno uključene i razvijenijim hidrofobnim jezgrom.“
Tim je dalje otkrio da su dizajnirane sekvence bile veoma stabilne i da su bile u stanju da se savijaju do projektovane krivine cevi. Pored toga, utvrđeno je da je oblik jajolikog TIM bureta pogodan za ugradnju različitih identiteta i kombinacija ostataka.
Dalje, tim je koristio mutagenezu – proces u kome se ključni aminokiselinski ostaci koji čine protein zamenjuju aminokiselinama koje imaju slična ili kontrastna svojstva. Prilično zapanjujuće, uprkos modifikaciji, dobijeni TIM bačvi protein pokazao je visoku strukturnu i termičku stabilnost, iako je u određenoj meri smanjio ukupan prinos proteina.
Koje su dugoročne implikacije ovih nalaza? „Naši dizajni pokazuju otpornost na drastične mutacije, zadržavajući visoke temperature topljenja čak i kada je višestruko naelektrisano jezgro zakopano u hidrofobnom jezgru ili kada je hidrofobno jezgro ablairano u alanin. Kao skela sa većim kapacitetom za smeštaj različitih mreža vodoničnih veza i instaliranje vezivnih džepova ili aktivnih mesta, ovoidna TIM cev predstavlja veliki korak ka de novo dizajnu funkcionalnih TIM cevi“, kaže dr Huang.
Ukratko, novi dizajn preklopa TIM cevi ima višestruke implikacije u oblasti molekularnog prepoznavanja i enzimske katalize. Zbog česte pojave TIM barel struktura u ključnim enzimima, ova studija takođe ima verovatne terapeutske implikacije.
