Durchbruch beim Entwurf komplizierter All-α-Proteinstrukturen

Ein Forscherteam hat eine innovative Methode zum Design komplizierter All-α-Proteine ​​entwickelt, die sich durch ihre ungleichmäßig angeordneten α-Helices auszeichnen, wie sie im Hämoglobin zu sehen sind. Mit ihrem neuartigen Ansatz gelang es dem Team, fünf einzigartige All-α-Proteinstrukturen zu schaffen, die sich jeweils durch ihre komplizierten Anordnungen von α-Helices auszeichnen. Diese Fähigkeit birgt ein enormes Potenzial für die Entwicklung funktioneller Proteine.

Diese Forschung wurde veröffentlicht im Tagebuch Struktur- und Molekularbiologie der Natur.

Proteine ​​falten sich auf der Grundlage ihrer Aminosäuresequenzen zu einzigartigen dreidimensionalen Strukturen, die dann ihre Funktion bestimmen. Obwohl beim De-novo-Proteindesign erhebliche Fortschritte erzielt wurden, fehlte die Fähigkeit, komplizierte All-α-Proteine ​​zu entwerfen, bei denen α-Helices innerhalb der dreidimensionalen Strukturen nicht parallel angeordnet sind.

„Künstlich gestaltete Proteine ​​weisen meist einfache Strukturen auf, aber die Natur präsentiert uns komplizierte ‚Designs‘“, sagte Prof. Nobuyasu Koga vom Exploratory Research Center on Life and Living Systems (ExCELLS) an den National Institutes of Natural Sciences (NINS). Diese Lücke veranlasste das Team, nach einer Methode zum Design solch komplizierter All-α-Proteine ​​zu suchen.

Das Team untersuchte zunächst die in der Proteindatenbank (PDB) hinterlegten Strukturen und identifizierte 18 typische Helix-Loop-Helix-Motive. Anschließend zeigten sie, dass durch die Kombination dieser identifizierten typischen Motive und kanonischen α-Helices ein breites Spektrum an All-α-Protein-Tertiärstrukturen, die von einfach bis kompliziert reichen, rechnerisch erzeugt werden kann.

„Es ist überraschend, dass ein so vielfältiger Satz von All-α-Proteinstrukturen einfach durch die Kombination typischer oder kanonischer Komponenten natürlich vorkommender Proteine ​​erzeugt werden kann“, sagte Dr. Koya Sakuma, ein ehemaliger Doktorand. Student an der SOKENDAI (Graduiertenuniversität für fortgeschrittene Studien).

Aus den rechnerisch generierten Strukturen wählte das Team fünf einzigartige All-α-Proteine ​​aus, die jeweils fünf oder sechs α-Helices aufweisen und sich durch ihre komplizierte räumliche Anordnung auszeichnen. Anschließend führten sie ein De-novo-Design von Aminosäuresequenzen durch, die sich in die ausgewählten fünf All-α-Proteinstrukturen falten lassen.

Die experimentellen Ergebnisse waren bemerkenswert. „Die Strukturen, die aus dem Strukturbestimmungsprozess hervorgegangen sind, weisen komplizierte Formen auf, die perfekt zu rechnerisch entworfenen Strukturen passen“, sagte Dr. Naohiro Kobayashi, ein leitender Forschungsstipendiat am RIKEN.

Mit dieser entwickelten Methode ist es nun möglich, All-α-Proteine ​​mit komplizierten Formen herzustellen. Die Funktionen von Proteinen hängen von Natur aus von ihrer dreidimensionalen Struktur ab.

Wenn wir Proteine ​​mit komplizierten Formen entwerfen können, erhöht dies das Potenzial, in ihnen funktionelle Stellen zu konstruieren. Diese bahnbrechende Forschung wird den Weg für die Schaffung neuer funktioneller Proteine ​​ebnen, die einen Beitrag zum Gesundheitswesen und zu den Biowissenschaften leisten werden.