Des biologistes computationnels conçoivent une nouvelle protéine baril triosephosphate isomérase améliorée

Les protéines et les enzymes remplissent plusieurs fonctions clés à l’intérieur du corps humain. Pour concevoir une protéine fonctionnelle, il est important de pouvoir contrôler la structure des replis protéiques et de comprendre la relation entre la séquence, la structure et la stabilité des protéines. Les développements récents en biologie computationnelle ont permis la conception de novo de protéines avec des plis et des structures variables.

L’une de ces structures est le pli protéique du tonneau de la triosephosphate isomérase (TIM), qui se produit dans près de 10% de toutes les enzymes et est impliqué dans le métabolisme médié par les protéines. Il a une structure simple avec des sous-unités bêta/alpha répétées qui sont reliées par des boucles variables et est donc largement utilisé comme échafaudage pour concevoir d’autres protéines. Cependant, il n’a pas été complètement exploité pour concevoir des protéines fonctionnelles, en raison des défis liés à la modification de son architecture globale.

Récemment, une équipe de chercheurs dirigée par le Dr Po-Ssu Huang de l’Université de Stanford a mené une étude pour déterminer si la structure du baril bêta central pouvait être modifiée de novo, tout en éliminant les boucles structurelles et en améliorant sa stabilité. Leur objectif était de concevoir une protéine baril TIM avec une grande stabilité et des propriétés fonctionnelles, et leurs découvertes ont été publiées dans Recherche BioDesign.

« Bien qu’une protéine baril TIM ait été conçue de novo auparavant, il était difficile de modifier finement la courbure de son baril bêta central, limitant ainsi son utilité pour la conception fonctionnelle », explique le Dr Huang tout en discutant des tentatives précédentes de création d’une protéine fonctionnelle en utilisant le pli de tonneau TIM.

Tout d’abord, l’équipe a utilisé le cadre RosettaRemodel (24) pour générer et identifier des squelettes protéiques idéaux à l’aide d’une approche autorégressive. Ensuite, ils ont utilisé un protocole de conception de séquences itératives pour générer plusieurs séquences avec une forte proportion de conceptions de pliage réussies.

Parallèlement à la synthèse des protéines et à la détermination de la structure, une protéine tonneau TIM a été développée de novo avec une symétrie double (ovoïde) et une syntaxe complètement nouvelle, c’est-à-dire des informations topologiques et une nouvelle séquence. La structure cristalline de cette protéine ressemblait étroitement au modèle de conception créé par l’équipe, confirmant leur hypothèse de conception.

En ce qui concerne les propriétés structurelles de la protéine baril TIM, le Dr Huang déclare : « La protéine conçue présentait une architecture baril β allongée avec des boucles qui n’étaient pas structurellement impliquées et un noyau hydrophobe plus développé.

L’équipe a en outre découvert que les séquences conçues étaient très stables et pouvaient se plier à la courbure du canon conçue. De plus, la forme du barillet ovoïde TIM s’est avérée appropriée pour l’incorporation de différentes identités et combinaisons de résidus.

En outre, l’équipe a utilisé la mutagenèse, un processus dans lequel les résidus d’acides aminés clés constituant une protéine sont remplacés par des acides aminés ayant des propriétés similaires ou contrastées. De manière assez étonnante, malgré la modification, la protéine baril TIM résultante a affiché une stabilité structurelle et thermique élevée, bien qu’elle ait réduit le rendement global de la protéine dans une certaine mesure.

Quelles sont les implications à long terme de ces découvertes ? « Nos conceptions font preuve de robustesse face aux mutations drastiques, conservant des températures de fusion élevées même lorsque plusieurs résidus chargés sont enterrés dans le noyau hydrophobe ou lorsque le noyau hydrophobe est ablaté en alanine. En tant qu’échafaudage avec une plus grande capacité à héberger divers réseaux de liaison hydrogène et l’installation de poches de liaison ou sites actifs, le cylindre TIM ovoïde représente une étape majeure vers la conception de novo de cylindres TIM fonctionnels », déclare le Dr Huang.

En résumé, la nouvelle conception du pli en barillet TIM a de multiples implications dans le domaine de la reconnaissance moléculaire et de la catalyse enzymatique. En raison de la présence fréquente de structures en barillet TIM dans les enzymes clés, cette étude a également des implications thérapeutiques probables.