Computerbiologen entwerfen ein neuartiges und verbessertes Barrel-Protein der Triosephosphat-Isomerase

Proteine ​​und Enzyme erfüllen mehrere Schlüsselfunktionen im menschlichen Körper. Um ein funktionelles Protein zu entwerfen, ist es wichtig, die Struktur von Proteinfaltungen kontrollieren zu können und die Beziehung zwischen Sequenz, Struktur und Stabilität von Proteinen zu verstehen. Jüngste Entwicklungen in der Computerbiologie haben das De-novo-Design von Proteinen mit unterschiedlichen Faltungen und Strukturen ermöglicht.

Eine solche Struktur ist die Barrel-Protein-Faltung der Triosephosphat-Isomerase (TIM), die in fast 10 % aller Enzyme vorkommt und am Protein-vermittelten Metabolismus beteiligt ist. Es hat eine einfache Struktur mit sich wiederholenden Beta/Alpha-Untereinheiten, die durch variable Schleifen verbunden sind, und wird daher häufig als Gerüst zum Design anderer Proteine ​​verwendet. Aufgrund der Herausforderungen bei der Änderung seiner Gesamtarchitektur wurde es jedoch nicht vollständig genutzt, um funktionelle Proteine ​​​​zu entwerfen.

Kürzlich führte ein Forscherteam unter der Leitung von Dr. Po-Ssu Huang von der Stanford University eine Studie durch, um zu untersuchen, ob die Struktur des zentralen Beta-Fass de novo verändert werden könnte, während strukturelle Schleifen beseitigt und seine Stabilität verbessert würden. Ihr Ziel war es, ein TIM-Barrel-Protein mit hoher Stabilität und funktionellen Eigenschaften zu entwickeln, und ihre Ergebnisse wurden in veröffentlicht BioDesign-Forschung.

„Obwohl ein TIM-Barrel-Protein zuvor de novo entworfen wurde, war es schwierig, die Krümmung seines zentralen Beta-Barrels fein zu verändern, wodurch seine Nützlichkeit für das funktionelle Design eingeschränkt wurde“, sagt Dr. Huang, während er frühere Versuche zur Herstellung eines funktionellen Proteins diskutiert die TIM Fassfalte.

Zunächst verwendete das Team das RosettaRemodel-Framework (24), um mithilfe eines autoregressiven Ansatzes ideale Proteinrückgrate zu generieren und zu identifizieren. Als nächstes verwendeten sie ein iteratives Sequenzdesignprotokoll, um mehrere Sequenzen mit einem hohen Anteil erfolgreich gefalteter Designs zu generieren.

Zusammen mit Proteinsynthese und Strukturbestimmung wurde de novo ein TIM-Fassprotein mit zweizähliger (eiförmiger) Symmetrie und einer völlig neuen Syntax, dh topologischen Informationen, und einer neuen Sequenz entwickelt. Die kristalline Struktur dieses Proteins ähnelte stark dem vom Team erstellten Designmodell, was ihre Designhypothese bestätigte.

In Bezug auf die strukturellen Eigenschaften des TIM-Barrel-Proteins sagt Dr. Huang: „Das entworfene Protein wies eine verlängerte β-Barrel-Architektur mit Schleifen auf, die nicht strukturell beteiligt waren, und einen stärker entwickelten hydrophoben Kern.“

Das Team stellte außerdem fest, dass die entworfenen Sequenzen sehr stabil waren und sich an die entworfene Laufkrümmung falten konnten. Darüber hinaus erwies sich die Form des eiförmigen TIM-Fasses als geeignet für den Einbau verschiedener Restidentitäten und -kombinationen.

Darüber hinaus setzte das Team Mutagenese ein – ein Prozess, bei dem wichtige Aminosäurereste, aus denen ein Protein besteht, durch Aminosäuren mit ähnlichen oder gegensätzlichen Eigenschaften ersetzt werden. Erstaunlicherweise zeigte das resultierende TIM-Barrel-Protein trotz der Modifikation eine hohe strukturelle und thermische Stabilität, obwohl es die Gesamtausbeute des Proteins in gewissem Maße verringerte.

Was sind die langfristigen Auswirkungen dieser Erkenntnisse? „Unsere Designs zeigen Robustheit gegenüber drastischen Mutationen und behalten hohe Schmelztemperaturen bei, selbst wenn mehrere geladene Reste im hydrophoben Kern vergraben sind oder wenn der hydrophobe Kern zu Alanin ablatiert wird. Als Gerüst mit einer größeren Kapazität zur Aufnahme verschiedener Wasserstoffbindungsnetzwerke und Installation von Bindungstaschen oder aktive Stellen, stellt das eiförmige TIM-Fass einen großen Schritt in Richtung des De-novo-Designs von funktionellen TIM-Fass dar“, sagt Dr. Huang.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das neuartige Design der TIM-Fassfaltung mehrere Implikationen auf dem Gebiet der molekularen Erkennung und Enzymkatalyse hat. Aufgrund des häufigen Auftretens von TIM-Barrel-Strukturen in Schlüsselenzymen hat diese Studie auch wahrscheinliche therapeutische Implikationen.