Syntetiska proteiner har skapats som rör sig som svar på sin miljö på förutsägbara och avstämbara sätt. Dessa rörliga molekyler designades från grunden på datorer, produceras sedan inuti levande celler.

Att fungera, naturliga proteiner förändrar ofta sin form på exakta sätt. Till exempel, blodproteinet hemoglobin måste böjas när det binder till och släpper ut en syremolekyl. Att uppnå liknande molekylär rörelse genom design, dock, har varit en långvarig utmaning.

17 maj numret av Vetenskap rapporterar framgångsrik design av molekyler som ändrar form som svar på pH -förändringar. (pH är en kemisk skala från basisk till sur.)

Institute for Protein Design vid University of Washington School of Medicine ledde den multinstitutionella forskningen.

Forskarna satte sig för att skapa syntetiska proteiner som självmonteras till designade konfigurationer vid neutralt pH och snabbt demonteras i närvaro av syra.

Resultaten visade att dessa dynamiska proteiner rör sig som avsett och kan använda sin pH-beroende rörelse för att störa lipidmembran, inklusive de på endosomen, ett viktigt fack inuti celler.

Denna membranstörande förmåga kan vara användbar för att förbättra läkemedelsverkan. Skrymmande läkemedelsmolekyler som levereras till celler fastnar ofta i endosomer. Fast där, de kan inte utföra sin avsedda terapeutiska effekt.

Surheten hos endosomerna skiljer sig från resten av cellen. Denna pH-skillnad fungerar som en signal som utlöser rörelsen av designmolekylerna, därigenom gör det möjligt för dem att störa endosommembranet.

"Möjligheten att designa syntetiska proteiner som rör sig på förutsägbara sätt kommer att möjliggöra en ny våg av molekylära läkemedel, " sa seniorförfattaren David Baker, professor i biokemi vid UW School of Medicine och chef för Institute for Protein Design. "Eftersom dessa molekyler kan permeabilisera endosomer, de har stora löften som nya verktyg för läkemedelstillförsel."

Forskare har länge försökt att konstruera endosomal flykt.

"Att störa membran kan vara giftigt, så det är viktigt att dessa proteiner bara aktiveras under rätt förhållanden och vid rätt tidpunkt, när de väl är inne i endosomen, sa Scott Boyken, en ny postdoktor i Baker -labbet och huvudförfattare till det senaste projektet.

Boyken uppnådde molekylär rörelse i sina designerproteiner genom att införliva en kemikalie som kallas histidin. Under neutrala (varken basiska eller sura) förhållanden, histidin bär ingen elektrisk laddning. I närvaro av en liten mängd syra, den tar upp positiv laddning. Detta hindrar den från att delta i vissa kemiska interaktioner. Denna kemiska egenskap hos histidin gjorde att teamet kunde skapa proteinsammansättningar som faller isär i närvaro av syra.

"Att designa nya proteiner med rörliga delar har varit ett långsiktigt mål för mitt postdoktorala arbete. Eftersom vi designade dessa proteiner från grunden, vi kunde kontrollera det exakta antalet och platsen för histidinerna, ", sa Boyken. "Detta låter oss ställa in proteinerna så att de faller sönder vid olika nivåer av surhet."

Andra forskare från UW, Ohio State University, Lawrence Berkeley National Laboratory, och Howard Hughes Medical Institutes Janelia Research Campus bidrog till denna forskning.

De i Vicki Wysockis grupp vid OSU använde inbyggd masspektrometri för att bestämma mängden syra som behövs för att orsaka demontering av proteinerna. De bekräftade designhypotesen att ha mer histidiner vid gränssnitten mellan proteinerna skulle få sammansättningarna att kollapsa mer plötsligt.

Samarbetspartners i Kelly Lee-labbet vid UW School of Pharmacy visade att designproteinerna stör konstgjorda membran på ett pH-beroende sätt som speglar beteendet hos naturliga membranfusionsproteiner.

Uppföljningsexperiment utförda i Jennifer Lippincott-Schwartz labb vid HHMI:s Janelia Research Campus visade att proteinerna också stör endosomala membran i däggdjursceller.

Omkonstruerade virus som kan undkomma endosomer är de vanligaste läkemedelsleveransfordonen, men virus har begränsningar och nackdelar. Forskarna tror att ett system för läkemedelstillförsel endast tillverkat av designerproteiner skulle kunna konkurrera med effektiviteten av viral leverans utan de inneboende nackdelarna.