AI navrhla nové enzymy, které dokážou cíleně štěpit jiné bílkoviny
Vědci využili nástroje pro návrh bílkovin k vytvoření enzymů, které štěpí jiné bílkoviny na zvoleném místě. V laboratorních testech upravené enzymy dokázaly cílit i na bílkoviny spojené s neurologickými onemocněními, jejich případné využití v léčbě je ale zatím vzdálené.
Katalyzátory na míru
Bílkoviny tvoří řetězce aminokyselin spojených takzvanými peptidovými vazbami. Ty jsou za běžných podmínek velmi stabilní: bez pomoci enzymu může jejich rozpad trvat stovky let. Organismy si během evoluce vytvořily různé proteázy, tedy enzymy, které tyto vazby štěpí.
Tým vedený vědci z laboratoře Davida Bakera na Washingtonské univerzitě zkusil proces návrhu takových enzymů zkrátit. Vzal katalytické jádro dvou známých proteáz a pomocí nástrojů umělé inteligence navrhl zbytek jejich struktury. Výsledné enzymy měly být schopné rozpoznat konkrétní sekvenci aminokyselin a přestřihnout bílkovinu právě v jejím okolí.
Od známých enzymů k novému návrhu
Výzkumníci vycházeli ze dvou typů proteáz: zinkové proteázy z trávicí soustavy raka a cysteinové proteázy z kvasinek. U obou znali strukturu i aminokyseliny, které se přímo podílejí na štěpení. Návrhový proces proto začal právě těmito klíčovými součástmi a požadavkem, aby se v novém enzymu ocitly ve správné blízkosti a orientaci.
Nástroj RFdiffusion2 navrhl kostru bílkoviny tak, aby vyhovovala katalytickému místu i cílové sekvenci. ProteinMPNN pak do této kostry vybíral konkrétní aminokyseliny s ohledem na její zamýšlený tvar a schopnost navázat cíl. Vědci vytvořili desítky návrhů pro oba typy proteáz. Struktury části z nich ověřovali pomocí AlphaFold3.
Některé návrhy fungovaly
Cysteinové proteázy vědci zkoušeli na dlouhé bílkovině, která obsahovala enzym, jeho cílovou sekvenci i fluorescenční protein. Pokud enzym správně štěpil, fluorescenční část se oddělila. Z 69 návrhů uspělo 13, tedy 19 procent. Jejich aktivita však byla výrazně nižší než u kvasinkového enzymu, který posloužil jako vzor.
U zinkových proteáz záleželo také na molekule vody, která se účastní reakce. Bez jejího správného umístění vykazovalo slabou aktivitu 14 z 89 návrhů. Když výzkumníci vodu zahrnuli mezi podmínky návrhu, aktivitu mělo 35 z 38 enzymů. Následné úpravy aminokyselin v okolí katalytického místa některé návrhy zlepšily. Nejlepší upravená cysteinová proteáza urychlila štěpení cílové vazby 10⁹krát; upravená zinková proteáza dosáhla zrychlení 10¹⁰krát.
Léčba je zatím daleko
Jako závěrečnou ukázku navrhli vědci zinkové proteázy zaměřené na bílkoviny spojované s Alzheimerovou chorobou a frontotemporální demencí. Při přepracování existujícího návrhu se nedařilo cílit na novou sekvenci, proto celý proces zopakovali od začátku. Nakonec získali enzym, který dokázal zamýšlený cíl štěpit v buňkách.
Výsledek naznačuje, že by jednou mohlo být možné zasahovat proti škodlivým či nesprávně utvořeným bílkovinám. Překážek je ale mnoho: bílkoviny se obtížně dopravují na potřebné místo a mohou vyvolat imunitní reakci. Pokud je cílem bílkovina uvnitř buňky, bylo by navíc nutné dostat do příslušných buněk gen, podle něhož se proteáza vytvoří.
Studie zároveň ukazuje, že současné nástroje umějí dobře navrhovat strukturu, ale nedokážou spolehlivě zaručit požadovanou katalytickou aktivitu. Některé návrhy proto potřebovaly další úpravy, aby pracovaly účinněji.