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    Il feedback di migliaia di progetti potrebbe trasformare l'ingegneria delle proteine

    Un modello di una mini proteina progettata computazionalmente da uno studio su larga scala dell'UW Medicine Institute for Protein Design. Credito:UW Medicine Institute for Protein Design

    Il palcoscenico è pronto per una nuova era di ingegneria molecolare delle proteine ​​basata sui dati, poiché i progressi nella tecnologia di sintesi del DNA si fondono con i miglioramenti nella progettazione computazionale di nuove proteine.

    di questa settimana Scienza riporta il test su più ampia scala della stabilità del ripiegamento per proteine ​​progettate in modo computazionale, reso possibile da un nuovo approccio ad alto rendimento.

    Gli scienziati provengono dall'UW Medicine Institute for Protein Design dell'Università di Washington a Seattle e dall'Università di Toronto in Ontario.

    L'autore principale del documento è Gabriel Rocklin, un borsista post-dottorato in biochimica presso la University of Washington School of Medicine. Gli autori senior sono Cheryl Arrowsmith, del Princess Margaret Cancer Center, il Consorzio di Genomica Strutturale e il Dipartimento di Biofisica Medica dell'Università di Toronto, e David Baker, Professore di biochimica alla UW e investigatore dell'Howard Hughes Medical Institute.

    Le proteine ​​sono cavalli da lavoro biologici. I ricercatori vogliono costruire nuove molecole, non trovato naturalmente, che possono svolgere compiti di prevenzione o cura delle malattie, nelle applicazioni industriali, nella produzione di energia, e nelle pulizie ambientali.

    "Però, le proteine ​​progettate computazionalmente spesso non riescono a formare le strutture piegate che sono state progettate per avere quando vengono effettivamente testate in laboratorio, " ha detto Rocklin.

    Nell'ultimo studio, i ricercatori hanno testato più di 15, 000 mini-proteine ​​di nuova concezione che non esistono in natura per vedere se formano strutture piegate. Anche i più importanti studi di progettazione delle proteine ​​negli ultimi anni hanno generalmente esaminato solo da 50 a 100 modelli.

    Un'animazione di una mini proteina progettata computazionalmente da uno studio su larga scala dell'UW Medicine Institute for Protein Design per valutare il ripiegamento molecolare e la stabilità strutturale. Credito:UW Medicine Institute for Protein Design

    "Abbiamo imparato molto su questa nuova scala, ma il gusto ci ha dato un appetito ancora più grande, " ha detto Rocklin. "Siamo ansiosi di testare centinaia di migliaia di progetti nei prossimi anni".

    I test più recenti hanno portato alla progettazione di 2, 788 strutture proteiche stabili e potrebbe avere molte applicazioni di bioingegneria e biologia sintetica. Le loro piccole dimensioni possono essere vantaggiose per il trattamento di malattie quando il farmaco deve raggiungere l'interno di una cellula.

    Le proteine ​​sono costituite da catene di amminoacidi con sequenze specifiche, e le sequenze proteiche naturali sono codificate nel DNA cellulare. Queste catene si piegano in conformazioni tridimensionali. La sequenza degli amminoacidi nella guida della catena dove si piegherà e si torcerà, e come le parti interagiranno per tenere insieme la struttura.

    Per decenni, i ricercatori hanno studiato queste interazioni esaminando le strutture delle proteine ​​naturali. Però, le strutture proteiche naturali sono tipicamente grandi e complesse, con migliaia di interazioni che tengono collettivamente la proteina nella sua forma piegata. Misurare il contributo di ogni interazione diventa molto difficile.

    Gli scienziati hanno affrontato questo problema progettando computazionalmente i propri, proteine ​​molto più semplici. Queste proteine ​​più semplici hanno reso più facile analizzare i diversi tipi di interazioni che trattengono tutte le proteine ​​nelle loro strutture ripiegate.

    "Ancora, anche le proteine ​​semplici sono così complicate che era importante studiarne migliaia per capire perché si ripiegano, " ha detto Rocklin. "Questo era stato impossibile fino a poco tempo fa, a causa del costo del DNA. Ogni proteina progettata richiede il proprio pezzo di DNA personalizzato in modo che possa essere prodotta all'interno di una cellula. Questo ha limitato gli studi precedenti a testare solo decine di progetti".

    Per codificare i loro progetti di proteine ​​corte in questo progetto, i ricercatori hanno utilizzato quella che viene chiamata tecnologia di sintesi della libreria di oligo del DNA. È stato originariamente sviluppato per altri protocolli di laboratorio, come un grande assemblaggio di geni. Una delle aziende che ha fornito il proprio DNA è CustomArray a Bothell, Wash. Hanno anche usato librerie di DNA realizzate da Agilent a Santa Clara, California, e Twist Bioscience a San Francisco.

    Questa immagine proviene da un'analisi mutazionale completa della stabilità nelle proteine ​​progettate e naturali. La variazione media della stabilità dovuta alla mutazione di ciascuna posizione in 13 proteine ​​progettate è rappresentata sulle strutture del modello di progettazione. Il giallo indica le posizioni in cui le mutazioni sono più destabilizzanti; le posizioni in cui c'è poco effetto sono blu Credito:UW Medicine Institute for Protein Design

    Ripetendo il ciclo di calcolo e test sperimentali su diverse iterazioni, i ricercatori hanno imparato dai loro fallimenti di progettazione e hanno progressivamente migliorato la loro modellazione. Il loro tasso di successo del design è passato dal 6% al 47%. Hanno anche prodotto proteine ​​stabili in forme in cui tutti i loro primi progetti hanno fallito.

    Il loro ampio set di mini-proteine ​​stabili e instabili ha permesso loro di analizzare quantitativamente quali caratteristiche proteiche erano correlate al ripiegamento. Hanno anche confrontato la stabilità delle loro proteine ​​progettate con dimensioni simili, proteine ​​naturali.

    La proteina naturale più stabile identificata dai ricercatori era una proteina molto studiata del batterio Bacillus stearothermophilus. Questo organismo si crogiola nelle alte temperature, come quelli nelle sorgenti termali e nelle prese d'aria termali oceaniche. La maggior parte delle proteine ​​perde le proprie strutture piegate in condizioni di temperatura così elevata. Gli organismi che vi prosperano hanno evoluto proteine ​​altamente stabili che rimangono piegate anche quando sono calde.

    "Un totale di 774 proteine ​​progettate ha avuto punteggi di stabilità più elevati rispetto a questa proteina monomerica più resistente alla proteasi, " hanno notato i ricercatori. Le proteasi sono enzimi che scompongono le proteine, ed erano strumenti essenziali utilizzati dai ricercatori per misurare la stabilità delle loro migliaia di proteine.

    I ricercatori prevedono che, mentre la tecnologia di sintesi del DNA continua a migliorare, la progettazione di proteine ​​ad alto rendimento diventerà possibile per grandi, strutture proteiche più complesse.

    "Ci stiamo allontanando dal vecchio stile di progettazione delle proteine, che era un mix di modellazione al computer, intuizione umana, e piccoli frammenti di prove su ciò che funzionava prima". Rocklin ha detto. "I designer di proteine ​​erano come maestri artigiani che usavano la loro esperienza per scolpire a mano ogni pezzo nel loro laboratorio. A volte le cose funzionavano, ma quando hanno fallito era difficile dire perché. Il nostro nuovo approccio ci consente di raccogliere un'enorme quantità di dati su ciò che rende stabili le proteine. Questi dati possono ora guidare il processo di progettazione".


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