Le strutture proteiche criogeniche (congelate) sono fondamentali per comprendere la funzione e lo sviluppo di farmaci. Gli scienziati del St. Jude Children's Research Hospital hanno creato un algoritmo per rivelare che quando il congelamento delle proteine ​​​​può creare "artefatti", errori che causano risultati fuorvianti. La ricerca è apparsa di recente in Angewandte Chemie International Edition e ha evidenziato l'importanza delle reti idriche nelle interazioni proteina-ligando. I risultati sfidano l'opinione comune di presumere che le posizioni dell'acqua criogenica ben risolte siano sia precise che accurate.

I ligandi sono molecole che si legano a una proteina recettore. Quando un ligando si lega a una proteina, la conformazione (forma) può cambiare, dando inizio a diversi tipi di attività nella cellula. Il legame proteico-ligando e i conseguenti cambiamenti di forma sono elementi cruciali da considerare durante gli sforzi di sviluppo del farmaco.

"Se guardi solo ai dati criogenici, le informazioni utilizzate per la scoperta di farmaci contengono artefatti che non sapresti fossero lì", ha affermato l'autore corrispondente Marcus Fischer, Ph.D., Dipartimenti di biologia chimica e di ricerca di St. Jude Biologia terapeutica e strutturale. "Abbiamo sviluppato un modo per districare questi artefatti. Usando confronti accoppiati tra temperatura criogenica e ambiente è possibile individuare le parti della proteina che sono influenzate dalla temperatura".

I ricercatori utilizzano spesso le strutture proteiche disponibili estraendo le informazioni da un database chiamato Research Collaboratory for Structural Bioinformatics Protein Data Bank. Circa il 95% di queste strutture viene catturato criogenicamente, quindi modellato all'interno del database per facilità d'uso. Gli scopritori di droghe raramente esaminano da vicino i dati sperimentali grezzi, che sono sotto forma di una mappa della densità elettronica. L'interrogatorio delle mappe anziché dei modelli strutturali fornisce un approccio imparziale alla rivelazione di caratteristiche dinamiche e artefatti criogenici.

L'algoritmo Flipper evidenzia importanti modifiche

Fischer e il suo team hanno sviluppato un algoritmo, chiamato Flipper, che esamina i dati sperimentali grezzi nelle mappe di densità elettronica. Flipper identifica i picchi della mappa (segnali) che altrimenti sarebbero invisibili. Questi picchi corrispondono alle parti di proteine ​​da residui specifici che hanno conformazioni termosensibili. Questi residui possono cambiare la preferenza relativa per uno stato rispetto a un altro, o "capovolgere" nella loro densità, spostandosi tra le conformazioni, da cui l'algoritmo ha preso il nome.

I ricercatori hanno utilizzato questo approccio per identificare i residui che rispondono ai cambiamenti di temperatura e per tracciare i residui in un sistema simile a un codice a barre attraverso l'intera proteina. Ciò ha consentito agli scienziati di vedere come i residui all'interno e all'esterno del sito di legame del ligando rispondono alle temperature di congelamento o riscaldamento.

"Con Flipper possiamo rilevare piccoli ma importanti cambiamenti nelle strutture proteiche dovute alla temperatura o ad altri fattori", ha affermato il primo autore Timothy Stachowski, Ph.D., St. Jude Chemical Biology and Therapeutics. "È importante correggere questi dettagli all'inizio del processo di scoperta del farmaco; altrimenti, gli sforzi di ricerca potrebbero essere sviati".

Poiché gli effetti della temperatura e della rete idrica influenzano un vasto numero di strutture, i risultati potrebbero avere un impatto diffuso sullo sviluppo di farmaci.

Un nuovo apprezzamento per le reti idriche

Forti del loro nuovo approccio, i ricercatori hanno condotto un'analisi sistematica che mostra l'importanza delle reti idriche. L'acqua, una delle molecole più importanti e abbondanti sulla Terra, gioca un ruolo attivo nel processo di congelamento delle conformazioni. Ciò è particolarmente vero nei siti di legame proteico-ligando.

"Questa è la prima volta che abbiamo dimostrato sistematicamente l'importanza della temperatura sulle reti idriche per modulare l'interfaccia di legame del ligando, che è dove avviene la biologia", ha detto Fischer. "L'acqua viene spesso ignorata nel processo di scoperta del farmaco, ma abbiamo dimostrato che oltre ad avere un profondo effetto sul legame del ligando, l'acqua influenza anche i residui del sito di legame, catturandoli in posizioni che differiscono a seconda della temperatura."

Flipper e il sistema di codici a barre conformazionali che facilita il confronto di diversi ligandi a diverse temperature sono disponibili gratuitamente per consentire ad altri ricercatori di identificare tali modelli nei propri set di dati. + Esplora ulteriormente

Il confronto delle strutture criogeniche con campioni a temperatura ambiente può aiutare a identificare gli errori nei modelli computazionali