Искусственный белок поменял конформацию в ответ на повышение концентрации ионов кальция

Американские химики смоделировали и синтезировали несколько белков, которые переходили из одной конформации в другую при повышении концентрации ионов кальция. Две конформации отличались расположением одной альфа-спирали вблизи сайта связывания. Исследование опубликовано в Science.

С помощью алгоритмов машинного обучения химики умеют предсказывать аминокислотную последовательность белка по его трехмерной структуре (и наоборот). За развитие таких алгоритмов Нобелевскую премию по химии в этом году получили Дэвид Бейкер, Джон Джампер и Демис Хассабис (подробнее читайте в нашем материале «Напророчили»).

Хотя ученые научились предсказывать структуру белка, получать искусственные белки с заданными свойствами по-прежнему непросто. Например, известно, что в живых организмах некоторые белки способны изменять свою конформацию в ответ на внешние воздействия — в том числе на изменение концентрации ионов. Хотя этот механизм распространен в природных белках, реализовать его в искусственных белках с помощью компьютерного дизайна у ученых пока не получалось.

Химики под руководством Тани Кортемме (Tanja Kortemme) из Калифорнийского университета в Сан-Франциско впервые смоделировали и синтезировали несколько таких белков. Дизайн проходил в три стадии. В качестве остова искусственного белка ученые взяли один домен природного белка Тропонина C, способного связывать ионы кальция. Причем конформация этого белка не менялась при связывании.

Далее химики сгенерировали несколько похожих структур с отличающийся конформацией сайта связывания ионов кальция. Для этих моделей они с помощью алгоритма Rosetta подобрали подходящие аминокислотные последовательности. Из полученных белковых структур химики выбрали одну, в которой строение сайта связывания максимально отличалось от исходного — в ней одна альфа-спираль развернулась в сторону. Этот белок ученые экспрессировали и очистили. В результате оказалось, что кальций он не связывает.

Следующим шагом стало моделирование белков, способных существовать сразу в двух конформациях: исходной кальций-связывающей, и новой, полученной на предыдущем этапе. Для этого исследователи использовали алгоритм AlphaFold 2. Оказалось, что полученные модели почти идентичны по всей последовательности: различие заключалось всего в одной аминокислоте на 89‑й позиции. Причем в зависимости от выбора этой аминокислоты белок, согласно расчетам, предпочитал одну из двух конформаций.

Чтобы проверить свои предсказания, исследователи синтезировали несколько смоделированных белков и изучили их поведение в растворе с помощью ЯМР-спектроскопии. Оказалось, что искусственные белки действительно способны переключаться между двумя конформациями. Причем доля кальций-связывающей формы возрастала при увеличении концентрации ионов кальция в растворе.

Таким образом, авторам впервые удалось de novo смоделировать и выделить в чистом виде белки, способные изменять свою структуру в ответ на изменение внешней среды — так, как это делают некоторые природные белки.

Недавно мы рассказывали о том, как компьютерный дизайн белков помог получить циклопропаны и силаны энантиоселективно.