För första gången, forskare har skapat, helt från grunden, ett protein som kan binda till en liten målmolekyl. Forskare från University of Washington School of Medicine rapporterar framsteget i tidningen 12 september Natur .

Tidigare, sådana småmolekylbindande proteiner har framställts genom att ändra proteiner som redan finns i naturen. Detta tillvägagångssätt begränsade avsevärt möjligheterna. Möjligheten att göra sådana proteiner från grunden, eller "de novo, "öppnar vägen för forskare att skapa proteiner till skillnad från alla som finns i naturen. Dessa proteiner kan specialdesignas med hög precision och affinitet för att binda till och agera på specifika små molekylmål.

Huvudförfattarna till tidningen är Jiayi Dou och Anastassia A. Vorobieva, båda seniormännen i labbet av seniorförfattaren David Baker, professor i biokemi vid UW School of Medicine och chef för Institute of Protein Design vid UW Medicine. Baker är också utredare vid Howard Hughes Medical Institute.

Tekniken bör ha stor tillämpning inom forskning, medicin och industri, enligt Baker.

"Den framgångsrika de novo-designen av specialbyggda proteiner med liten molekylbindningsaktivitet sätter scenen för skapandet av allt mer sofistikerade bindningsproteiner som inte kommer att ha de begränsningar som ses med proteiner som har utformats genom att förändra befintliga proteinstrukturer, " han förklarade.

För att göra proteinet, forskarna var tvungna att uppnå en annan först:Att skapa från början ett cylinderformat protein som kallas en beta-fat. Betafatstrukturen var idealisk eftersom ena änden av cylindern kunde utformas för att stabilisera proteinet, medan den andra änden kan användas för att skapa en hålighet som kan fungera som bindningsstället för målmolekylen.

Proteiner består av långa kedjor av aminosyror. När den väl syntetiserats, dessa kedjor viks till exakta former som gör att proteinerna kan utföra sina funktioner. Formerna som dessa kedjor antar är vanligtvis otroligt invecklade, men två vanliga funktioner förekommer ofta:alfa-helices, som bildas när sektionerna kedjar vindar runt en central axel, och arkliknande strukturer, kallas beta-blad.

Beta-ark bildas när två eller flera sektioner från olika delar av aminosyrakedjan, på grund av vikning, kör sida vid sida i 3D-utrymme. Dessa sektioner "sys ihop" av vätebindningar, skapa en arkliknande struktur. Dessa beta-ark, i tur och ordning, kan monteras i fatliknande strukturer, kallas beta-fat. I naturen, beta-fat-proteiner binder ett brett spektrum av små molekyler.

För att designa det nya proteinet, Dou och Vorobieva använde en mjukvaruplattform, utvecklat i Baker lab, heter Rosetta. Det kan förutsäga vilken form en viss kedja av aminosyror kommer att anta efter syntes och kan berätta hur förändring av enskilda aminosyror längs kedjan kan förändra den formen. Denna förutsägande kraft gör det möjligt att testa olika kombinationer av aminosyror för att designa ett protein med önskad form och funktion.

För att skapa hålrummet, forskarna använde en kraftfull ny dockningsalgoritm, kallas "Rotamer Interaction Field" (RIF), utvecklad av William Sheffler, en senior forskare i Baker -labbet. RIF identifierar snabbt alla potentiella strukturer i hålrum som uppfyller förutsättningarna för att binda specifika molekyler.

Utrustad med de nya RIF -dockningsmetoderna, Gör du, Vorobieva och Sheffler utformade betatunnorna för att binda en förening som kallas DFHBI, en komponent som liknar den som finns inuti grönt fluorescerande protein, som fluorescerar när de utsätts för vissa ljusfrekvenser. Grönt fluorescerande protein används rutinmässigt i biologisk forskning för att lokalisera molekyler och strukturer inom levande organismer och för att spåra deras rörelse.

I deras papper, forskaren visar att deras specialdesignade protein ivrig band och aktiverade DFHBI-föreningen.

"Det fungerade i bakterier, jäst- och däggdjursceller, "sa Dou, "och att vara hälften så stor som grönt fluorescerande protein borde vara mycket användbart för forskare."

Baker sa att tillvägagångssättet kommer att tillåta forskare att utforska en effektivt obegränsad uppsättning ryggradstrukturer med former anpassade för att binda molekylen av intresse.

"Lika viktigt, " han lade till, "det främjar vår förståelse av determinanterna för proteinflingning och bindning utöver vad vi har lärt oss av att beskriva befintliga proteinstrukturer."