EPFL-forskare har utvecklat en beräkningsmetod som modellerar och designar proteinallosteri som möjliggör noggrann och rationell konstruktion och till och med återanvändning av cellreceptorer. Metoden kan vara ett betydelsefullt verktyg för läkemedelsutveckling.

Kallas "livets andra hemlighet, "allosteri är en av biologins mest grundläggande processer och har varit ett centralt fokus bland forskare över hela livsvetenskapens spektrum, från grundläggande biologi till läkemedelsutveckling.

Men vad är allosteri? I den oändliga dansen av reglering inuti cellen, allosteri är den process genom vilken proteiner – och andra biologiska molekyler – indirekt kan reglera aktiviteten hos andra biomolekyler som receptorer.

Nyckeln här är "indirekt". I vanliga fall, proteiner och andra ligander kommer att binda sin målmolekyl, t.ex. en receptor eller ett enzym, på en huvudregion som kallas "aktiv webbplats". En gång bunden, liganden utlöser en biokemisk domino som resulterar i en viss effekt.

Men i allosteri, ligander binder enzymer eller receptorer på andra platser än det aktiva stället, och orsaka olika effekter. Till exempel, allosterisk bindning kan minska eller till och med stoppa aktiviteten hos en receptor helt och hållet. Fördelen här för områden som läkemedelsutveckling är att allosteriska ligander inte behöver konkurrera om den aktiva platsen, utan snarare utövar sina effekter genom en "sidodörr".

Nu, Patrick Barths labb vid EPFL:s Institute of Bioengineering har utvecklat en beräkningsmetod för att förutsäga och till och med designa allosteriska funktioner i proteiner. Publicerad i Naturens kemiska biologi , forskarna visar att deras metod kan användas för att förutsägbart designa signalfunktioner till receptorer som tillhör den stora familjen av G-proteinkopplade receptorer (GPCR).

Forskarna började med simuleringar av molekylär dynamik, en datorteknik som modellerar atomers och molekylers fysiska rörelser. Genom att använda detta för att modellera GPCR, de kunde identifiera allosteriska platser på dopaminreceptorn, en GPCR i nervsystemet som aktiveras av signalsubstansen dopamin. Dopamin är involverat i funktioner som motorisk kontroll, motivering, upphetsning, förstärkning, pris, laktation, sexuell tillfredsställelse, och illamående.

De tillämpade sedan en ny metod utvecklad i labbet som snabbt kan utvecklas i kiselproteinsekvenser för specifika dynamiska och allosteriska egenskaper. Detta gjorde det möjligt för forskarna att designa allosteriska varianter av en GPCR:receptorer med små skillnader i placeringen av deras struktur där ligander kan binda allosteriskt.

Dessa platser kallas "mikrobrytare" och kan förändra hela receptorns beteende. "Vi kunde konstruera nya aminosyramikrobrytare på dessa platser, som kan omprogrammera specifika allosteriska signalegenskaper, säger Barth.

Forskarna producerade inte mindre än 36 varianter av dopaminreceptorn D2, som reglerar kognitiv flexibilitet hos människor och är huvudmålet för de flesta antipsykotiska läkemedel. I ett fall, forskarna kunde helt och hållet återanvända D2-receptorn till en serotoninbiosensor, i huvudsak gör den mottaglig för en helt ny signalsubstans.

Efter bindning av serotonin, den omdesignade receptorn visade potenta signalsvar som matchade de förutsägelser som forskarna gjorde med deras beräkningsmetod. Denna noggrannhet var inte bara begränsad till en variant; forskarna kunde förutsäga effekterna av mer än hundra kända mutationer på signaleringsaktiviteterna hos flera GPCR.

Till sist, det är viktigt att notera att den nya metoden ger vad kemister och bioingenjörer kallar "rationell design":en strategi som använder datormodellering för att förutsäga hur den nya molekylens struktur och dynamik kommer att påverka dess beteende.

"Än så länge, proteindesign har mestadels fokuserat på att skapa stabila proteinstrukturer och interaktioner som saknar dynamik, " säger Barth. "Vårt arbete visar utvecklingen och valideringen av den första beräkningsmetoden som möjliggör förutsägelse och rationell design av proteinallosteriska dynamiska funktioner; det sätter scenen för att designa signalreceptorer med exakta funktioner för cellteknik och förutsäga effekterna av genetiska variationer på proteinfunktioner för personlig medicin, samt att designa nya allosteriska proteiner och bättre läkemedel från grunden."