El escenario está listo para una nueva era de ingeniería molecular de proteínas basada en datos a medida que los avances en la tecnología de síntesis de ADN se fusionan con mejoras en el diseño computacional de nuevas proteínas.
de esta semana ciencia informa la prueba a mayor escala de la estabilidad de plegado para proteínas diseñadas computacionalmente, posible gracias a un nuevo enfoque de alto rendimiento.
Los científicos son del Instituto de Medicina UW para el Diseño de Proteínas de la Universidad de Washington en Seattle y la Universidad de Toronto en Ontario.
El autor principal del artículo es Gabriel Rocklin, becario postdoctoral en bioquímica de la Facultad de Medicina de la Universidad de Washington. Los autores principales son Cheryl Arrowsmith, del Centro de Cáncer Princess Margaret, el Consorcio de Genómica Estructural y el Departamento de Biofísica Médicaen la Universidad de Toronto, y David Baker, profesor de bioquímica de la UW e investigador del Instituto Médico Howard Hughes.
Las proteínas son caballos de batalla biológicos. Los investigadores quieren construir nuevas moléculas, que no se encuentran de forma natural, que puedan realizar tareas de prevención o tratamiento de enfermedades, en aplicaciones industriales, en producción de energía y en limpiezas ambientales.
"Sin embargo, las proteínas diseñadas computacionalmente a menudo no pueden formar las estructuras plegadas para las que fueron diseñadas cuando realmente se prueban en el laboratorio", dijo Rocklin.
En el último estudio, los investigadores probaron más de 15,000 mini-proteínas recientemente diseñadas que no existen en la naturaleza para ver si forman estructuras plegadas. Incluso los principales estudios de diseño de proteínas en los últimos años generalmente han examinado solo 50 a 100 diseños.
"Aprendimos mucho en esta nueva escala, pero el sabor nos ha dado un apetito aún mayor", dijo Rocklin. "Estamos ansiosos por probar cientos de miles de diseños en los próximos años".
Las pruebas más recientes condujeron al diseño de 2.788 estructuras de proteínas estables y podrían tener muchas aplicaciones de bioingeniería y biología sintética. Su pequeño tamaño puede ser ventajoso para tratar enfermedades cuando el medicamento necesita llegar al interior de una célula.
Las proteínas están hechas de cadenas de aminoácidos con secuencias específicas, y las secuencias de proteínas naturales están codificadas en el ADN celular. Estas cadenas se pliegan en conformaciones tridimensionales. La secuencia de los aminoácidos en la guía de la cadena donde se doblará y retorcerá, ycómo las partes interactuarán para mantener la estructura unida.
Durante décadas, los investigadores han estudiado estas interacciones examinando las estructuras de las proteínas naturales. Sin embargo, las estructuras de proteínas naturales suelen ser grandes y complejas, con miles de interacciones que mantienen colectivamente la proteína en su forma plegada. Medición de la contribución de cada interacciónse vuelve muy difícil
Los científicos abordaron este problema diseñando computacionalmente sus propias proteínas, mucho más simples. Estas proteínas más simples facilitaron el análisis de los diferentes tipos de interacciones que mantienen todas las proteínas en sus estructuras plegadas.
"Aún así, incluso las proteínas simples son tan complicadas que era importante estudiar a miles de ellas para saber por qué se pliegan", dijo Rocklin. "Esto había sido imposible hasta hace poco, debido al costo del ADN. Cada proteína diseñada requiere supropia pieza de ADN personalizada para que pueda fabricarse dentro de una célula. Esto ha limitado los estudios previos a probar solo decenas de diseños ".
Para codificar sus diseños de proteínas cortas en este proyecto, los investigadores utilizaron lo que se llama tecnología de síntesis de la biblioteca de oligo ADN. Fue desarrollada originalmente para otros protocolos de laboratorio, como el ensamblaje de genes grandes. Una de las compañías que proporcionaron su ADN es CustomArrayen Bothell, Washington. También usaron bibliotecas de ADN hechas por Agilent en Santa Clara, California, y Twist Bioscience en San Francisco.
Al repetir el ciclo de computación y pruebas experimentales durante varias iteraciones, los investigadores aprendieron de sus fallas de diseño y mejoraron progresivamente su modelado. Su tasa de éxito de diseño aumentó del 6% al 47%. También produjeron proteínas estables en formas donde todossus primeros diseños fallaron
Su gran conjunto de miniproteínas estables e inestables les permitió analizar cuantitativamente qué características proteicas se correlacionan con el plegamiento. También compararon la estabilidad de sus proteínas diseñadas con proteínas de tamaño natural y de tamaño similar.
La proteína natural más estable que identificaron los investigadores fue una proteína muy estudiada de la bacteria Bacillus stearothermophilus. Este organismo disfruta de altas temperaturas, como las de las aguas termales y los respiraderos termales oceánicos. La mayoría de las proteínas pierden sus estructuras plegadas en condiciones de alta temperatura.Los organismos que prosperan allí han desarrollado proteínas altamente estables que permanecen dobladas incluso cuando están calientes.
"Un total de 774 proteínas diseñadas tenían un puntaje de estabilidad más alto que esta proteína monomérica más resistente a la proteasa", señalaron los investigadores. Las proteasas son enzimas que descomponen las proteínas y fueron herramientas esenciales que los investigadores utilizaron para medir la estabilidad de sus miles deproteínas
Los investigadores predicen que, a medida que la tecnología de síntesis de ADN continúa mejorando, el diseño de proteínas de alto rendimiento será posible para estructuras de proteínas más grandes y complejas.
"Nos estamos alejando del viejo estilo de diseño de proteínas, que era una mezcla de modelado por computadora, intuición humana y pequeñas pruebas de lo que funcionó antes", dijo Rocklin. "Los diseñadores de proteínas eran como maestros artesanos que usaban suexperiencia para esculpir a mano cada pieza en su taller. A veces las cosas funcionaban, pero cuando fallaban era difícil decir por qué. Nuestro nuevo enfoque nos permite recopilar una enorme cantidad de datos sobre qué hace que las proteínas sean estables. Estos datos ahora pueden impulsar el diseñoproceso."
Su estudio fue apoyado por el Instituto Médico Howard Hughes y el Consejo de Investigación y Ciencias Naturales de Canadá. Rocklin es miembro de Merck de la Fundación de Investigación de Ciencias de la Vida. Arrowsmith tiene una Cátedra de Investigación Canadiense en Genómica Estructural.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Ciencias de la Salud de Washington / Medicina de la Universidad de Washington . Original escrito por Leila Gray. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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