Главное

  • Исследователи спроектировали два вида протеаз, то есть ферментов для разрезания белков.
  • Учет молекулы воды повысил результативность одного подхода до 35 успешных вариантов из 38.
  • Лучший фермент на основе цинка ускорил разрыв связи внутри белка в 10 млрд раз.

Как ИИ проектировал ферменты

Белки состоят из аминокислот, соединенных пептидными связями. Без фермента такая связь может сохраняться в воде несколько сотен лет.

Протеазы ускоряют разрыв этих связей. Для работы им нужны несколько аминокислот, расположенных рядом и в определенном порядке.

Исследователи использовали два исходных фермента. Цинковую протеазу взяли из пищеварительной системы речного рака.

Цистеиновую протеазу получили из дрожжей. В этом ферменте реакцию запускает аминокислота цистеин.

Ключевые части ферментов сохранили. Остальную структуру белка заново спроектировали с помощью инструментов искусственного интеллекта.

RFdiffusion2 создавал основу будущего белка. Система соединяла нужные аминокислоты и размещала рядом заданное место разреза.

Затем ProteinMPNN заполнял основу конкретными аминокислотами. Они должны были сохранять форму фермента, его рабочую область и связь с выбранной целью.

Для цистеиновой протеазы подготовили 12 вариантов основы и 69 наборов аминокислот. Для проекта с цинком проверили 135 вариантов белка.

AlphaFold3, система прогнозирования формы белков, использовалась для дополнительной проверки. В базах данных не нашли структур, похожих на многие полученные варианты.

Какие варианты сработали

Сначала исследователи собрали длинный белок из протеазы, целевой последовательности и светящегося белка. Отделение светящейся части показывало, что разрез произошел.

Среди цистеиновых протеаз сработали 13 вариантов, или 19% от 69 проверенных наборов. Их активность оставалась ниже показателя исходного фермента из дрожжей.

Первые цинковые варианты проектировали без учета молекулы воды, участвующей в реакции. Слабую активность показали 14 из 89 конструкций.

Моделирование показало, что вода часто занимала место будущей реакции. После этого правильное положение воды добавили в условия проектирования.

В новой серии активность появилась у 35 из 38 вариантов.

Один вариант работал активнее исходного, но разрезал белки в разных местах. Поэтому он не сохранял заданную точность.

Как повысили активность

Исследователи заменяли аминокислоты около рабочей области фермента. Варианты, способные нарушить его форму, исключали заранее.

Лучший цистеиновый вариант ускорил разрыв пептидной связи в 1 млрд раз. Он сохранял направленность на выбранную последовательность белка.

Обновленная цинковая протеаза работала в 30 раз активнее первоначального проекта. Она ускорила разрыв связи в 10 млрд раз.

В заключительной проверке созданные ферменты разрезали белки, связанные с неврологическими заболеваниями.

Ранее лаборатория Бейкера в Университете Вашингтона разработала использованные инструменты проектирования белков.

Подробности: Ars Technica