Nel loro studio, "De Novo Transmembrane Proteins Designed to Bind and Inhibit a Cytokine Receptor" pubblicato su Nature Chemical Biology , i ricercatori hanno utilizzato un approccio computerizzato unico per progettare nuove proteine ​​mirate alla regione che attraversa la membrana del recettore dell'eritropoietina (EPO), che controlla la produzione di globuli rossi e può andare storto nei tumori. Oltre a queste nuove molecole che mirano all'EPO, lo studio ha prodotto un processo computazionale generale, o "flusso di lavoro", per razionalizzare la progettazione flessibile e personalizzata di proteine ​​mirate a bersagli intramembrana.

I ricercatori stanno ora utilizzando il loro approccio per sviluppare potenziali nuovi trattamenti mirati all'interno della membrana per un'ampia gamma di malattie.

"Questo lavoro apre molte nuove possibilità per la modulazione dei bersagli all'interno della membrana cellulare, comprese le applicazioni terapeutiche e la comprensione dei meccanismi di segnalazione nella biologia cellulare", afferma l'autore co-corrispondente dello studio Marco Mravic, Ph.D., assistente professore presso il Dipartimento di biologia strutturale e computazionale integrativa presso Scripps Research.

Gli altri autori corrispondenti dello studio erano Daniel DiMaio, MD, Ph.D., della Yale School of Medicine; e William DeGrado, Ph.D., della Scuola di Farmacia dell'Università della California, San Francisco, dove Mravic era in precedenza un Ph.D. studente.

"Uno degli obiettivi principali della biologia sintetica è progettare proteine ​​con attività biologica:qui riportiamo la progettazione e il test di una piccola proteina che perturba specificamente l'attività di un recettore proteico molto più grande coinvolto nella crescita e nella differenziazione delle cellule del sangue", afferma DiMaio, che è professore di genetica, biofisica e biochimica molecolare e vicedirettore dello Yale Cancer Center.

"Abbiamo ottenuto questo risultato prendendo di mira il segmento del recettore che attraversa la membrana cellulare. Poiché molte proteine ​​cellulari contengono segmenti che attraversano la membrana strutturalmente conservati, questo approccio generale può essere applicabile a molti altri bersagli proteici e fornisce un nuovo strumento per modulare il comportamento di celle."

Colpire i bersagli intramembrana è stato a lungo un obiettivo importante in biomedicina poiché molte proteine ​​​​nelle cellule, in particolare le proteine ​​​​recettrici, hanno domini funzionalmente importanti all’interno della membrana. Tali proteine ​​hanno ruoli importanti in quasi ogni area della salute e della malattia.

Tuttavia gli obiettivi intramembrana non sono obiettivi ordinari. Le membrane cellulari sono generalmente costituite da due strati di molecole "lipidiche" strettamente distanziate, legate ai grassi, che sono idrorepellenti e hanno altre proprietà uniche e complesse. Ciò rende lo spazio intramembrana un obiettivo molto più difficile per i progettisti di farmaci, rispetto alle zone acquose delle superfici o degli interni delle cellule.

"Ci sono stati pochissimi esempi di successo di farmaci che prendono di mira questo spazio all'interno della membrana", afferma Mravic.

Quei pochi successi, che includono trattamenti per disturbi del basso numero di piastrine e fibrosi cistica, derivano da screening in cieco di grandi librerie di composti o da una stretta mimica di proteine ​​note per interagire con proteine ​​partner all'interno della membrana cellulare.

Al contrario, Mravic e colleghi hanno deciso di progettare proteine ​​completamente nuove, piccole chiamate peptidi, per colpire bersagli proteici intramembrana in modi nuovi e diversi. Per fare ciò, hanno dovuto estendere la frontiera dei metodi computazionali, combinando il "data mining" delle interazioni note da proteina a proteina nelle membrane con le tradizionali previsioni basate sulla fisica delle interazioni proteiche.

Alla fine, Mravic e i suoi colleghi hanno progettato le prime proteine ​​che legano la porzione che attraversa la membrana del recettore EPO in un modo nuovo, mai visto in natura. Il team ha dimostrato che queste proteine ​​bloccano in modo molto specifico e potente la funzione del recettore, contrariamente agli approcci precedenti.

I risultati potrebbero essere di immediato interesse per i ricercatori che cercano nuovi modi per inibire il recettore dell’EPO, che spesso viene attivato in modo anomalo dalle cellule tumorali per mantenere la loro crescita e sopravvivenza. Ma per Mravic e i suoi colleghi, lo studio rappresenta soprattutto una prova di principio di un approccio nuovo e più flessibile al targeting intramembrana.

"Intendiamo utilizzare questo approccio per colpire le proteine ​​di membrana in molteplici processi biologici e aree patologiche, inclusi tumori, disturbi immunitari e dolore", afferma Mravic.

Si aspetta inoltre che il flusso di lavoro computazionale che ha progettato per il progetto sia un acceleratore generale della progettazione di farmaci mirati alla membrana.

"Prima, il processo coinvolgeva fondamentalmente due persone in una stanza buia che guardavano lo schermo di un computer e dicevano:'Sì, penso che questo sia migliore di quello'", dice Mravic. "Ora abbiamo automatizzato gran parte del processo di progettazione delle molecole e del processo decisionale nel computer. Essere più modulare, flessibile e snello consente al metodo di essere più accessibile per una gamma più ampia di scienziati."

Mravic e i suoi colleghi hanno pubblicato i loro strumenti computazionali per uso pubblico su Github.