Grandi migliorie nella predizione delle strutture proteiche da parte del gruppo BakerLab
Le proteine che esistono in natura sono macchine microscopiche che dirigono in maniera fondamentale tutte le funzioni critiche degli esseri viventi.
Mentre da oltre 40 è noto che la sequenza di amminoacidi determina completamente la conformazione della proteina, è stato molto difficile predire dalla sequenza amminoacida la conformazione tridimensionale della proteina stessa, e viceversa, vedere come nuove sequenze amminoacide ripieghino in strutture inedite.
Durante gli ultimi mesi, gli scienziati dell’Istituto per il Protein Design dell’Università di Washington e il centro per la ricerca sul cancro Fred Hutchinson, insieme con colleghi di altri istituti, hanno riportato progressi in due aree da molto tempo problematiche, relative alla costruzione di nuove proteine da zero.
“E’ stato un anno di svolta per la previsione e il design delle strutture proteiche” ha affermato David Baker, ricercatore medico dell’Università di Washington, investigatore dell’, Howard Hughes Medical Institute e direttore dell’Istituto per il Protein Design.
Il problema della struttura proteica riguarda come la composizione chimica di una proteina predetermini la sua struttura molecolare, e a sua volta, la sua funzione biologica. I ricercatori dell’Università di Washington hanno sviluppato dei nuovi potenti algoritmi utilizzando i dati di co-evoluzione da sequenze di DNA per creare delle previsioni “ab-inizio” in cieco con una accuratezza senza precedenti, riguardanti strutture di grosse proteine (>200 amminoacidi di lunghezza). Questo ha aperto la porta a previsioni di strutture accurate per migliaia di nuove proteine scoperte nel mare, nel suolo e microbioti intestinali.
Altrettanto difficile è il secondo problema, riguardante la progettazione di sequenze di amminoacidi che ripieghino in proteine completamente nuove. Queste nuove scoperte dimostrano che ora è possibile effettuare sequenze di amminoacidi con una precisione sufficiente per ripiegarsi in maniera naturale e, ancor più importante, creare sequenze da zero per ripiegamenti completamente sconosciuti, superando di gran lunga quanto è previsto si verifichi in natura.
Le nuove proteine sono progettate con l’aiuto di volontari da tutto il mondo, che partecipano al progetto di calcolo distribuito Rosetta@Home. Le sequenze create sono codificate in geni sintetici, le proteine sono prodotte in laboratorio e le loro strutture determinate con la tecnica della cristallografia a raggi X. I modelli informatici, in quasi tutti i casi, corrispondono le strutture cristalline determinate sperimentalmente con una accuratezza vicina al livello atomico.
I ricercatori riportano nuovi progetti di proteine per botti, foglietti, anelli ed eliche– tutti con accuratezza quasi atomica. Questo si basa sulle precedenti relazioni di cubi e sfere proteiche, fornendo la prova che è possibile creare una nuova classe di materiali proteici.
Con questi progressi sia nella predizione della struttura che nel design molecolare, i ricercatori dell’Istituto per il Protein Design sperano di costruire un nuovo mondo di proteine con specifiche esatte per l’esecuzione di compiti irrinunciabili nei campi della medicina, dell’ambiente e dell’industria.
Esempi di obbiettivi conseguibili con i tools a livello nanometrico:
- aumentare la risposta immunitaria contro l’HIV e altri virus resistenti
- bloccare il virus dell’influenza prima che esso infetti le cellule
- trasportare farmaci alle cellule cancerogene con maggior precisione e con minori effetti secondari
- fermare gli allergeni che causano sintomi
- neutralizzare depositi, chiamati amiloidi, che danneggiano i tessuti vitali nell’Alzheimer
- assorbire i farmaci nel corpo come antidoti
- rispondere ad altre esigenze diagnostiche, terapeutiche e di energia pulita.
Proprio come l'industria manifatturiera è stata rivoluzionata con la creazione di parti intercambiabili destinate a precise specifiche, i moduli proteici progettati su misura con la giusta torsione, i ripiegamenti, e le connessioni per il loro assemblaggio modulare sono una nuova direzione audace per la biotecnologia.
I risultati che forniscono la prova di questo possibile futuro sono stati segnalati negli ultimi mesi da parte dei suddetti ricercatori dell'Istituto per il Protein Design dell’Università di Washington in collaborazione con i ricercatori del Fred Hutch, con l’Istituto Max Planck di biologia evolutiva, con il campus di ricerca Janelia, e con l'Istituto per la Scienza Molecolare in Giappone.
L'evoluzione offre indizi per plasmare proteine: la funzione di molte proteine tende a rimanere la stessa tra le varie specie, anche dopo che le loro sequenze di aminoacidi sono cambiate nel corso di miliardi di anni di evoluzione. L’individuazione di coppie co-evolute di aminoacidi aiuta a calcolare la loro vicinanza quando la molecola ripiega. Il dottorando Sergey Ovchinnikov ha applicato questa analisi di co-evoluzione della sequenza del DNA in un documento di E-Life pubblicato il 3 settembre 2015 dal titolo "Determinazione su larga scala di strutture proteiche precedentemente irrisolte, utilizzando le informazioni evolutiva" che illumina, per la prima volta, le strutture di 58 famiglie di proteine che contengono centinaia di migliaia di altri membri della famiglia strutturalmente affini.
“Questo risultato è stato un “grand slam” (nel baseball, il grand slam è un fuoricampo con tutte le basi occupate, quindi 4 punti, il massimo punteggio possibile in una singola azione. NDT) nella storia della predizione delle strutture proteiche”, ha detto Baker
La costruzione modulare di proteine con motivi ripetitivi: Proteine composte da moduli ripetuti, simili agli incastri dei blocchi Lego®, sono comuni nel mondo naturale. Due documenti pubblicati nel numero di Nature del 16 dicembre dal titolo "Esplorare l'universo della proteina ripetitiva attraverso la progettazione di proteine computazionale," e "Progettazione razionale delle proteine ripetute tandem alfa-elica con architetture chiuse," mostra che le proteine di ripetizione esistenti occupano solo una piccola frazione dello spazio disponibile, e che è possibile progettare proteine completamente nuove con geometrie specifiche che vanno ben oltre ciò che la natura ha raggiunto. Il lavoro è stato condotto da borsisti post-dottorato TJ Brunetta, Fabio Parmeggiani e Po-Ssu Huang nel laboratorio di David Baker presso l'Università di Washington Institute for Protein Design, Lindsey Doyle e Phil Bradley al Fred Hutchinson Cancer Research Institute di Seattle.
Disegno “barile” ripiegato: Il borsista postdottorato Po-Ssu Huang del laboratorio Baker, insieme con Birte Höcker presso l'Istituto Max Planck di biologia evolutiva (Tubinga, Germania) ha scoperto i principi di progettazione critici, ma elusivi, per una piega a forma di botte che avvalora la conformazione di molte molecole di enzimi naturali . I barili progettati che ripiegano su misura sono stati costruiti presso l'Istituto per Protein Design e riportato il 23 novembre 2015 sul giornale Nature Chemical Biology, "Progettazione de novo di un quadruplice simmetrica proteina TIM-botte con una precisione a livello atomico." Questo importante passo avanti ha aperto la porta ai bioingegneri per generare enzimi completamente nuovi che accelerano le reazioni chimiche, posizionando molecole più piccole in “scompartimenti botte” personalizzati.
Apparati Auto-assemblanti: in natura gli array proteici ordinati lungo una superficie piana si trovano nei batteri, cuore e altri muscoli. Per superare le complessità di interazione proteica, i ricercatori della UW Istituto per le proteine progettazione e il Campus Janelia di ricerca del Howard Hughes Medical Institute sono riusciti a programmare le proteine per auto-assemblarsi in nuove simmetriche, lenzuola 2-dimensionali di modelli proteine reticolo. Il dottorando Shane Gonen nel laboratorio Baker insieme al fratello Tamir Gonen a Janelia hanno descritto il loro lavoro nel numero di Science del 19 giugno 2015, "Progettazione di ordinati array bidimensionali mediati da interfacce proteina-proteina non covalenti." Questo ricerca ha applicazione diretta nella progettazione proteine autoassemblanti per nanomateriali, in particolare quelli che potrebbero servire come sensori o raccoglitori di luce efficienti.
Precisione nella modellazione: i progettisti di proteine stanno perfezionando continuamente i principi per modellare strutture proteiche ideali. L'ultima pubblicazione negli Atti della National Academy of Sciences del 6 ottobre 2015, "Controllo sulla forma complessiva e le dimensioni in proteine progettate“de novo” ", spiega ulteriormente i metodi per la variazione sistematica dell’architettura proteica, ispirata alla natura. Tale finezza è necessaria per ottimizzare le proteine progettate per assumere forme esatte a svolgere funzioni specifiche. Questo lavoro è stato condotto dallo studente laureato Yu-Ru Lin (del laboratorio Baker) in collaborazione con Nobuyasu Koga presso l'Istituto per la Scienza Molecolare in Giappone.
Enti finanziatori:
L'Istituto di Protein Design è stato finanziato da diverse agenzie federali, tra cui National Institutes of Health, US Department of Energy, National Science Foundation, US Defense Threat Reduction Agency, e US Air Force Ufficio di Ricerca Scientifica, la Fondazione di Washington Research, la Life Science Discovery Fund, nonché attraverso il sostegno privato.
L'istituto dipende anche da una squadra di citizen science di tutto il mondo che dedicano il proprio tempo personale e il computer per ripiegamento delle proteine studi di previsione attraverso Rosetta@home e il gioco multi-player on-line del ripiegamento proteico Foldit.
Approfondimenti video:
