I ricercatori hanno sviluppato un processo che potrebbe ridurre drasticamente il lavoro coinvolto nella progettazione computazionale delle proteine, secondo uno studio in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

La tecnica utilizza modelli strutturali 3D per proiettare come nuove combinazioni di blocchi molecolari potrebbero lavorare insieme per ottenere l'effetto desiderato.

L'avanzamento, che si concentra su un numero relativamente piccolo di sottostrutture proteiche piuttosto che sul numero infinito di combinazioni a livello atomico, potrebbe facilitare lo sviluppo di nuovi farmaci e materiali.

"Quando progetti un edificio, non devi necessariamente capire come i granelli di sabbia interagiscono tra loro all'interno di un mattone, " disse Gevorg Grigoryan, professore associato di informatica a Dartmouth e ricercatore senior dello studio. "Perché sai cos'è un mattone e quali sono le sue proprietà, puoi invece concentrarti su come i mattoni si uniscono per formare la forma desiderata. È lo stesso approccio che stiamo adottando. Ci concentriamo solo sulle sottostrutture proteiche che sappiamo funzionare".

Le proteine ​​sono il cavallo di battaglia del mondo naturale. Le proteine ​​ci aiutano a percepire il mondo che ci circonda, digerire il cibo e formare le difese naturali del corpo.

Per anni, i ricercatori si sono concentrati sulla costruzione di proteine ​​personalizzate che possono essere utili nel corpo umano. Per esempio, le proteine ​​personalizzate possono essere utilizzate per sviluppare farmaci terapeutici per combattere le malattie. Però, mentre molte terapie come l'insulina sono prodotte da proteine ​​naturali, il campo non è avanzato per consentire lo sviluppo diffuso di proteine ​​sintetiche.

Tra gli ostacoli allo sviluppo di proteine ​​sintetiche c'è il numero schiacciante di possibili combinazioni di amminoacidi. Ordinare le combinazioni per trovarne una che sarebbe utile in un dato scenario è un processo che richiede molto tempo e risorse.

I ricercatori che sviluppano nuovi farmaci attualmente si concentrano su come interagiscono atomi specifici. Questo approccio richiede ai laboratori di creare grandi librerie di varianti per trovarne una che completi l'attività specificata. Sebbene ciò possa produrre risultati utili, i ricercatori hanno trovato difficile costruire modelli atomici con alti livelli di precisione.

"Il numero di sequenze è virtualmente infinito. Questo complica davvero il processo di ricerca di una combinazione corretta per soddisfare una specifica esigenza terapeutica, " disse Jianfu Zhou, un dottorato di ricerca studente a Dartmouth che è coautore del documento di ricerca.

Per sviluppare un approccio ottimizzato alla progettazione delle proteine, il team di ricerca ha scansionato un database dei modelli 3D di 150, 000 proteine ​​conosciute. Il team ha scoperto che un piccolo numero di modelli strutturali ricorreva frequentemente nelle proteine, e che gran parte della diversità nella struttura delle proteine ​​deriva dal modo in cui questi elementi costitutivi sono combinati.

Questa scoperta di base ha portato il team a ipotizzare che invece di modellare le proteine ​​come reti complesse di atomi interagenti, possono invece rappresentarli molto più semplicemente come raggruppamenti di un insieme limitato di blocchi strutturali.

Con il nuovo metodo, nuove strutture proteiche possono essere giudicate più facilmente rispetto a modelli stabiliti. L'approccio consente ai ricercatori di sperimentare facilmente progetti più creativi offrendo la possibilità di confrontarli con una libreria di strutture note.

"Questa tecnica elimina la sfida dall'ottenere la fisica assolutamente corretta su scala atomica, potenzialmente rendendo la progettazione computazionale delle proteine ​​un processo molto più robusto. I nostri risultati dovrebbero spalancare le porte per l'apprendimento automatico nella progettazione delle proteine, " disse Grigoryan.

Il nuovo processo si concentra sui blocchi più grandi di atomi che si verificano nelle proteine, noti come motivi terziari, progettare proteine ​​funzionanti. Si tratta di disposizioni strutturali ricorrenti, simili a un arco oa una colonna in un edificio, che possono essere applicate alla progettazione di nuove proteine ​​indipendentemente dalla loro composizione a livello atomico.

Poiché le strutture si uniscono solo in determinati modi, i ricercatori non avrebbero più bisogno di fare congetture a livello atomico. I ricercatori si concentrano solo sui blocchi che si incastrano, ignorando quelle strutture che non formerebbero una proteina funzionante.

Secondo il documento di ricerca, i risultati "sostengono con forza che la banca dati proteica è ora sufficientemente grande da consentire la progettazione di proteine ​​utilizzando solo esempi di motivi strutturali da proteine ​​non correlate".

Applicando la nuova tecnica, il team di ricerca spera di eliminare la ridondanza di riscoprire i principi fisici nella struttura delle proteine ​​basandosi semplicemente su quei principi in primo luogo.