От фрагментов к функциональности: компьютерный дизайн для создания пользовательских белков

В рамках проекта ERC «HelixMold» команда из Технологического университета Граца разработала метод компьютерного проектирования искусственных белков с акцентом на создании индивидуальных биокатализаторов для фармацевтического применения или деградации биополимеров.

«Представьте будущее, в котором вы можете спроектировать ферменты — природные катализаторы — для вашего конкретного применения одним нажатием кнопки», — говорит Густав Обердорфер, возглавлявший проект ERC Starting Grant «HelixMold» в Институте биохимии Технологического университета Граца.

Цель проекта — разработать широко применимый метод компьютерного проектирования белков с заданными характеристиками.

В конце проекта Обердорфер и его команда достигли своей цели, заложив основы для более специализированного, быстрого и точного проектирования белков для различных применений, включая биокатализаторы для деградации полимеров, таких как целлюлоза, и производство активных ингредиентов для фармацевтики.

«В прошлом мы брали фрагменты известных белков из базы данных белков и затем реконструировали их с помощью компьютерных экспериментов со случайной выборкой, называемых моделированием Монте-Карло, чтобы найти наилучшую конфигурацию», — объясняет Густав Обердорфер.

Стратегия Обердорфера была сосредоточена на параметрическом дизайне. Основная идея была предложена Фрэнсисом Криком, который в 1953 году проводил расчёты, направленные на прямое определение положения атомов в заданном белке. Этот подход дал исследователям гораздо больший контроль и позволил им создавать на компьютере тысячи очень похожих, но слегка отличающихся начальных структур.

Используя метод, разработанный в рамках проекта «HelixMold», исследовательская группа может создавать на компьютере десятки тысяч слегка различающихся базовых структур белка.

В ходе моделирования исследователи определяют, какая из сгенерированных структур может содержать каталитический центр. Эти активные центры обеспечивают специфические каталитические реакции.

Как только подходящая структура определена, она закрепляется в центре. Затем команда формирует остальную часть белка вокруг центра с помощью специально разработанного программного обеспечения для моделирования. Это делается до тех пор, пока энергия взаимодействия между отдельными аминокислотами в белке не достигнет энергетического минимума.

Помимо регулярных элементов в структуре белка, неструктурированные, так называемые петлевые области являются ещё одним важным компонентом белка. Они гибкие и играют ключевую роль в функционировании белка, в частности, для соединений с другими структурными элементами.

В прошлом петли часто вели себя не так, как предполагалось при проектировании. По этой причине в рамках проекта Флориан Визер разработал искусственный интеллект, обученный на тысячах экспериментально определённых структур петель, чтобы выяснить, как выглядят правдоподобные петли.

ИИ использовался в процессе проектирования для контроля качества, чтобы определить, будет ли конкретный дизайн петли эффективным.

В конечном итоге искусственный интеллект сыграл гораздо более значительную роль в проекте, чем предполагалось изначально. Команда «HelixMold» использовала быстрые достижения в области машинного обучения, что позволило им выполнять вычисления ещё более эффективно. Основная идея осталась прежней, но результаты были достигнуты быстрее.

«Методы искусственного интеллекта, такие как AlphaFold и RosettaFoldDiffusion, произвели революцию в предсказании структуры белка и генерации структуры, поэтому в итоге параметрический дизайн оказался не таким важным, как это было в начале проекта», — говорит Густав Обердорфер.

«В конце концов, мы достигли того, что намеревались сделать с помощью HelixMold. Это вопрос понимания химической реакции, поиска структуры для активного центра на компьютере, а затем формирования вокруг него белка. Таким образом, теперь фокус исследований смещается с выявления и адаптации природных белков на целенаправленный дизайн новых молекул для конкретных применений», — заключает Обердорфер.

Принципы и знания, полученные в «HelixMold», станут важным строительным блоком для будущих исследований. И команда уже разрабатывает планы на следующие шаги.

Предоставлено:
[Технологический университет Граца](https://phys.org/partners/graz-university-of-technology/)

Источник

Другие новости по теме

Другие новости на сайте