Были созданы синтетические белки, которые реагируют на окружающую среду предсказуемым и регулируемым образом. Эти подвижные молекулы были созданы с нуля на компьютерах, а затем произведены внутри живых клеток.
Чтобы функционировать, природные белки часто меняют свою форму определенным образом. Например, белок крови гемоглобин должен изгибаться, когда он связывается с молекулой кислорода и высвобождает ее. Однако достижение аналогичного молекулярного движения с помощью дизайна было давней проблемой.
В выпуске журнала Science от 17 мая сообщается об успешном дизайне молекул, которые меняют форму в ответ на изменение pH. (pH - это химическая шкала от основного до кислого.)
Институт белкового дизайна при Медицинской школе Вашингтонского университета возглавил межведомственное исследование.
Исследователи задались целью создать синтетические белки, которые самособираются в заданные конфигурации при нейтральном pH и быстро разбираются в присутствии кислоты.
Результаты показали, что эти динамические белки двигаются, как и предполагалось, и могут использовать свое рН-зависимое движение для разрушения липидных мембран, в том числе на эндосомах, важных компартментах внутри клеток.
Эта мембраноразрушающая способность может быть полезна для улучшения действия лекарств. Крупные молекулы лекарств, доставленные в клетки, часто застревают в эндосомах. Застряв там, они не могут достичь намеченного терапевтического эффекта.
Кислотность эндосом отличается от остальной части клетки. Эта разница pH действует как сигнал, запускающий движение молекул конструкции, что позволяет им разрушать мембрану эндосомы.
«Возможность создавать синтетические белки, которые движутся предсказуемым образом, позволит создать новую волну молекулярных лекарств», - сказал старший автор Дэвид Бейкер, профессор биохимии Медицинской школы Университета Вашингтона и директор Института Белковый дизайн. «Поскольку эти молекулы могут проницать эндосомы, они имеют большие перспективы в качестве новых инструментов для доставки лекарств».
Ученые давно пытаются создать эндосомальный побег.
«Разрушающие мембраны могут быть токсичными, поэтому важно, чтобы эти белки активировались только в правильных условиях и в нужное время, когда они находятся внутри эндосомы», - сказал Скотт Бойкен, недавний научный сотрудник Baker. лаборатории и ведущий автор недавнего проекта.
Бойкен добился молекулярного движения в своих дизайнерских белках, включив химическое вещество под названием гистидин. В нейтральных (ни щелочных, ни кислых) условиях гистидин не несет электрического заряда. В присутствии небольшого количества кислоты он приобретает положительный заряд. Это останавливает его от участия в определенных химических взаимодействиях. Это химическое свойство гистидина позволило команде создать белковые сборки, которые распадаются в присутствии кислоты.
«Разработка новых белков с подвижными частями была долгосрочной целью моей постдокторской работы. Поскольку мы разработали эти белки с нуля, мы смогли контролировать точное количество и расположение гистидинов», - сказал Бойкен. «Это позволило нам настроить белки так, чтобы они распадались при разных уровнях кислотности».
Другие ученые из Университета Вашингтона, Университета штата Огайо, Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли и Исследовательского кампуса Джанелии Медицинского института Говарда Хьюза внесли свой вклад в это исследование.
Сотрудники группы Вики Высоцки в OSU использовали нативную масс-спектрометрию для определения количества кислоты, необходимой для разрушения белков. Они подтвердили гипотезу дизайна о том, что наличие большего количества гистидинов на интерфейсах между белками приведет к более внезапному коллапсу сборки.
Сотрудники лаборатории Келли Ли в Фармацевтической школе Университета Вашингтона показали, что дизайнерские белки разрушают искусственные мембраны в зависимости от pH, что отражает поведение белков слияния с природными мембранами.
Последующие эксперименты, проведенные в лаборатории Дженнифер Липпинкотт-Шварц в исследовательском кампусе HHMI Janelia, показали, что белки также разрушают эндосомальные мембраны в клетках млекопитающих.
Реконструированные вирусы, которые могут ускользать из эндосом, являются наиболее часто используемыми средствами доставки лекарств, но у вирусов есть ограничения и недостатки. Исследователи считают, что система доставки лекарств, состоящая только из дизайнерских белков, может соперничать по эффективности с вирусной доставкой без присущих ей недостатков.