Białka projektowane (Designer Proteins)
David S. Goodsell, tłum. Filip Gołębiowski | 2008-04-25
W miarę jak uczymy się coraz więcej na temat białek i tego jak działają, naturalnie odczuwamy potrzebę, by wykorzystać tą wiedzę i samemu pomajsterkować. Od wczesnych lat osiemdziesiątych naukowcy korzystali z ciągle powiększającego się zrozumienia struktury i funkcji białek do przebudowywania istniejących białek a od niedawna też do projektowania całkowicie nowych białek.
Projektowanie białek
Kiedy naukowcy rozpoczęli swoje poszukiwania, szybko zauważyli, że białka są bardziej skomplikowane niż się wydawało. Różne rodzaje aminokwasów, każdy o własnych chemicznych właściwościach, pracują razem by nakłonić łańcuch białka do zwinięcia się w zwartą, stabilną strukturę. Grupa bogatych w węgiel aminokwasów, jak leucyna i fenyloalanina, jest zazwyczaj umieszczona wewnątrz białka, wszystkie tak dobrane by idealnie się domykać razem.
Z drugiej strony naładowane aminokwasy, jak lizyna czy kwas asparaginowy, są zazwyczaj rozsiane po powierzchni tak, aby białko było rozpuszczalne w wodzie. Aminokwasy tworzące wiązania wodorowe, takie jak seryna i asparagina, są umieszczone w strategicznych miejscach by związywać razem różne fragmenty łańcucha. W końcu, osobliwe, glicyna i prolina są dodane by skierować łańcuch we właściwą stronę.
Negatywne projektowanie
Taka kombinacja oddziaływań zamyka białkowy łańcuch w stabilną, zwartą strukturę. Lecz jest to dopiero pierwszy krok podczas projektowania białek. W celu stworzenia takiego, które z powodzeniem się sfałduje, musisz się upewnić że to bialko ma tylko jedną stabilną strukturę. Jeśli istnieją inne możliwości sfałdowania białka, będą one współzawodniczyć z porządaną strukturą i zepsują podjętą konstrukcję. Tak więc nie wsytarczy zaprojektowanie stabilnej struktury
białka... musisz stworzyć białko które jest niestabilne w każdej innej konformacji.
Białka od podstaw
Bazując na dekadach badań struktury białek, naukowcy w Fred Hutchinson Cancer Research Center oraz University of Washington w Seattle, z powodzeniem dostosowali pozytywne i negatywne elementy i stworzyli całkowicie nowe białko. Zaczęli od struktury, która nigdy nie została zaobserwowana w naturze, pokazanej tu po lewej. Następnie użyli metody komputerowej by zaprojektować sekwencję aminokwasów, która przyjmie taki kształt. Kiedy zbudowali białko, które nazwali Top7, odkryli że sfałdowało się i przyjęło strukturę dokładnie taką jaką zaprojektowali, co widać na rekordzie PDB 1qys.
Zadziwiające alfa helisy
Częste podejście podczas projektowania białek polega na wyjściu od naturalnego białka i wprowadzaniu zmian do niego. Wiele grup skupiło się na wyjątkowo stabilnej strukturze złożonej z alfa helis. Białko GCN4, drożdżowy aktywator taranskrypcji, zawiera dwa łańcuchy, które są połączone razem suwakiem leucynowym, specjalną sekwencją tworzącą alfa helisę z wieloma leucynami po jednej stronie. Leucyny są perfekcyjnie rozłożone, tak że potrafią się spiąć razem, sklejając dwie alfa helisy, tak jak to widać po lewej, na podstawie rekordu PDB 2zta. Biorąc to za początek, wiele grup zaprojektowało nowe białka w oparciu o tę zasadę.
Kłębek seryny (ang. lore.cgicoiled serine – dop.tłum.) (rekord PDB 1cos) jest złożony z trzech krótkich łańcuchów, tworzących alfa helisy i następnie asocjujących w ciasny zwój. α3D (rekord PDB 2a3d) jest złożony z pojedynczego łańcucha, który zwija się w kłębek trzech alfa helis połączonych krótkimi pętlami. RH4 (rekord PDB 1rh4) został stworzony, troskliwie wybierając aminokwasy we wnętrzu, tak aby usunąć charakterystyczne skręcenie alfa helikalnego kłębka – zwróc uwagę, że alfa helisy pochylają się inaczej niż w reszcie struktur. Teraz wreszcie naukowcy tworzą nowe funkcje w tych sztucznych białkach, jak dodanie miejsc wiązania dla metali w białku DF2 (rekord PDB 1jmb).
Odkrywanie struktury
Jednym z celów projektowania białek jest stworzenie mini-białek do wykorzystania w biotechnologii i medycyine. Kilka grup stworzyło mini-białka biorąc małe, stabilne domeny naturalnych białek a następnie zmieniając aminokwasy, by ustabilizować wybrane zwinięcie. Przykłady są tu pokazane. Podstawowa struktura TC5b (rekord PDB 1l2y) została wzięta z białka znalezionego u Helodermy arizońskiej, a następnie obcięta i przekształcona w kierunku większej stabilności. Posiada w samym centrum tryptofan (oznaczony gwiazdką) otoczony przez proliny które wspólnie stabilizują strukturę. Pda8d (rekord PDB 1psv) i FSD-1 (rekord PDB 1fsd, nie pokazany) wywodzą swój kształt z palca cynkowego i zostały przekształcone tak, że cynk nie był więcej potrzebny do fałdownia. Zauważ że posiada ona zbiór bogatych w węgiel aminokwasów w centrum (oznaczony gwiazdką) i wiele naładowanych aminokwasów dekorujących powierzchnię.
Te obrazy zostały wykonane programem RasMol. Możesz stworzyć podobne rysunki klikając na kod struktury i wybierając jedną z opcji w panelu *View Structure*.
Po więcej białek projektowanych lub *de novo* kliknij tutaj. Po więcej informacji o projektowanych białkach kliknij tutaj.
Oryginalna podstrona w "Molecule of the Month", by David S. Goodsell: Designer Proteins.
Dodatkowe informacje na temat projektowania białek:
J. S. Richardson and D. C. Richardson (1989) The de novo design of protein structures. Trends in Biochemical Sciences 14, 304-309.
W. F. DeGrado, C. S. Summa, V. Pavone, F. Nastri and A. Lombardi (1999) De novo design and structural characterization of proteins and metalloproteins. Annual Review of Biochemistry 68, 779-819.