KI-Tools helfen, Enzymmechanismen für Lassopeptide aufzudecken

Lassopeptide sind natürliche Produkte, die von Bakterien produziert werden. Ihre ungewöhnliche Lassoform verleiht ihnen eine bemerkenswerte Stabilität und schützt sie vor extremen Bedingungen. In einer neuen Studie veröffentlicht In Natur Chemische Biologiehaben Forscher Modelle zur Herstellung dieser Peptide erstellt und getestet und gezeigt, wie diese Informationen verwendet werden könnten, um Medikamente auf Lassopeptidbasis in die Klinik zu bringen.

„Lassopeptide sind interessant, weil sie im Grunde lineare Moleküle sind, die in eine Art Schleifenknoten gebunden wurden“, sagte Susanna Barrett, eine Doktorandin im Mitchell-Labor (MMG). „Aufgrund ihrer unglaublichen Stabilität und technischen Machbarkeit haben sie ein großes Potenzial als Therapeutika. Es hat sich auch gezeigt, dass sie antibakterielle, antivirale und krebshemmende Eigenschaften haben.“ Lassopeptide

Lassopeptide sind ribosomal synthetisierte und posttranslational modifizierte Moleküle. Die Peptidketten werden gebildet, indem Aminosäuren in Form einer Kette aneinandergereiht werden, was das Ribosom erledigt. Zwei Enzyme, eine Peptidase und eine Cyclase, arbeiten dann zusammen, um ein lineares Vorläuferpeptid in die charakteristische geknotete Lassostruktur umzuwandeln. Seit ihrer Entdeckung vor über drei Jahrzehnten versuchen Wissenschaftler zu verstehen, wie die Cyclase das Lassopeptid faltet.

„Eine der größten Herausforderungen bei der Lösung dieses Problems war, dass die Enzyme schwierig zu handhaben sind. Sie sind im Allgemeinen unlöslich oder inaktiv, wenn man versucht, sie zu reinigen“, sagte Barrett.

Ein seltenes Gegenbeispiel ist die Fusilassincyclase oder FusC, die das Mitchell-Labor 2019 charakterisierte. Ehemaligen Gruppenmitgliedern gelang es, das Enzym zu reinigen, und seitdem dient es als Modell zum Verständnis des Lasso-Knoten-Knüpfprozesses. Die Struktur von FusC blieb jedoch unbekannt, sodass es unmöglich war zu verstehen, wie die Cyclase mit dem Peptid interagiert, um den Knoten zu falten.

In der aktuellen Studie verwendete die Gruppe das künstliche Intelligenzprogramm AlphaFold, um die Struktur des FusC-Proteins vorherzusagen. Sie nutzten die Struktur und andere auf künstlicher Intelligenz basierende Tools wie RODEO, um genau zu bestimmen, welche Cyclase-Reste im aktiven Zentrum für die Interaktion mit dem Lassopeptidsubstrat wichtig waren.

„FusC besteht aus etwa 600 Aminosäuren und das aktive Zentrum enthält 120. Diese Programme waren für unser Projekt von entscheidender Bedeutung, da sie es uns ermöglichten, ‚Strukturstudien‘ durchzuführen und herauszufinden, welche Aminosäuren im aktiven Zentrum des Enzyms wichtig sind“, sagte Barrett.

Sie verwendeten auch molekulardynamische Simulationen, um rechnerisch zu verstehen, wie das Lasso von der Cyclase gefaltet wird. „Dank der Rechenleistung von Folding@home konnten wir umfangreiche Simulationsdaten sammeln, um die Wechselwirkungen auf atomarer Ebene zu visualisieren“, sagte Song Yin, ein Doktorand im Shukla-Labor. „Vor dieser Studie gab es keine MD-Simulationen der Wechselwirkungen zwischen Lassopeptiden und Cyclasen, und wir glauben, dass dieser Ansatz auf viele andere Peptid-Engineering-Studien anwendbar sein wird.“

Bei ihren Computerstudien fanden die Forscher heraus, dass bei verschiedenen Cyclasen die Rückwandregion des aktiven Zentrums für die Faltung besonders wichtig zu sein schien. Bei FusC entsprach dies der Helix-11-Region. Anschließend führten die Forscher eine zellfreie Biosynthese durch, bei der sie alle für die Synthese der Lassopeptide erforderlichen Zellkomponenten in ein Reagenzglas mit Enzymvarianten gaben, die unterschiedliche Aminosäuren in der Helix-11-Region aufwiesen. Schließlich identifizierten sie eine Version von FusC mit einer Mutation an Helix 11, die Lassopeptide falten konnte, die von der ursprünglichen Cyclase nicht hergestellt werden können. Diese Daten bestätigen das Modell für die Lassopeptidfaltung, das die Forscher mit ihren Computeransätzen entwickelt hatten.

„Wie Enzyme einen Lassoknoten knüpfen, ist eine faszinierende Frage. Diese Studie bietet einen ersten Einblick in die biophysikalischen Wechselwirkungen, die für die Entstehung dieser einzigartigen Struktur verantwortlich sind“, sagte Diwakar Shukla, außerordentlicher Professor für chemische und biomolekulare Verfahrenstechnik.

„Wir haben auch gezeigt, dass diese molekularen Kontakte in mehreren verschiedenen Cyclasen über verschiedene Stämme hinweg gleich sind. Auch wenn wir nicht jedes System getestet haben, glauben wir, dass es sich um ein verallgemeinerbares Modell handelt“, sagte Barrett.

In Zusammenarbeit mit dem in San Diego ansässigen Unternehmen Lassogen zeigten die Forscher, dass die neuen Erkenntnisse bei der Cyclase-Technik helfen können, Lassopeptide zu erzeugen, die sonst nicht hergestellt werden können. Als Proof of Concept entwickelten sie eine andere Cyclase namens McjC, um effizient einen wirksamen Inhibitor eines krebsfördernden Integrins zu produzieren.

„Die Fähigkeit, Lasso-Peptid-Vielfalt zu erzeugen, ist wichtig für die Optimierung von Medikamenten“, sagte Mark Burk, CEO von Lassogen. „Die Enzyme der Natur ermöglichen es uns nicht immer, die gewünschten Lasso-Peptide herzustellen, und die Fähigkeit, Lasso-Cyclasen zu konstruieren, erweitert den therapeutischen Nutzen dieser erstaunlichen Moleküle erheblich.“

„Unsere Arbeit wäre ohne den Zugang zu leistungsstarken Computern und den jüngsten Fortschritten in der künstlichen Intelligenz und zellfreien Biosynthesemethoden nicht möglich gewesen“, sagte Douglas Mitchell, John und Margaret Witt Professor für Chemie. „Diese Arbeit ist ein außergewöhnliches Beispiel dafür, wie interdisziplinäre Zusammenarbeit am Carl R. Woese Institut für Genombiologie katalysiert wird. Ich bin dem MMG-Thema am IGB und unseren externen Kollegen bei Lassogen für ihre Beteiligung an der Lösung dieses komplizierten Problems dankbar.“