ШІ допоміг створити протеази для розщеплення заданих білків

Дослідники створили за допомогою інструментів штучного інтелекту нові ферменти-протеази, здатні розщеплювати білки за визначеними амінокислотними послідовностями. Команда, до якої переважно увійшли науковці з лабораторії Девіда Бейкера в Університеті Вашингтона, продемонструвала роботу таких ферментів на білках, пов’язаних із неврологічними захворюваннями.

Як повідомляє Ars Technica, пептидні зв’язки, що з’єднують амінокислоти в білках, без дії ферментів можуть зберігатися у воді сотні років. Протеази прискорюють розрив цих зв’язків, а їхня здатність розпізнавати певні ділянки білка визначає, що саме вони можуть розщеплювати.

Дизайн на основі двох механізмів

Науковці використали два різновиди протеаз: цинкову та цистеїнову. За основу взяли відомі каталітичні центри ферментів — цинкової протеази з травної системи рака та цистеїнової протеази дріжджів. Решту структури білків проєктували заново, задаючи системам ШІ вимоги щодо розташування ключових амінокислот і цільової послідовності, яку необхідно розрізати.

Для цього застосували RFdiffusion2, що формував білковий каркас, і ProteinMPNN, який добирав амінокислоти для майбутньої структури. Далі дослідники перевіряли частину проєктів за допомогою AlphaFold3. Для цистеїнової протеази вони створили 12 каркасів і 69 варіантів амінокислотних послідовностей, а для цинкової — випробували 135 конструкцій.

Результати випробувань

Працездатність ферментів перевіряли у складі довгого білка, який також містив цільову ділянку та флуоресцентний білок. Серед конструкцій цистеїнової протеази активність показали 13 варіантів із 69, або 19%. У проєктах цинкової протеази важливим виявилося точне розміщення молекули води в активному центрі: за цієї умови певну каталітичну активність продемонстрували 35 із 38 конструкцій.

Після додаткових замін амінокислот поблизу активних центрів найкращий варіант цистеїнової протеази прискорював розрив пептидного зв’язку у 10⁹ разів і зберігав високу специфічність до цільової послідовності. Оновлена версія цинкової протеази була у 30 разів активнішою за початковий дизайн і прискорювала розщеплення у 10¹⁰ разів.

Окремо дослідники створили цинкові протеази для націлювання на білки, пов’язані з хворобою Альцгеймера та лобно-скроневою деменцією, і отримали варіант, що розщеплював задану мішень у клітинах. Водночас для потенційного терапевтичного застосування необхідно подолати проблеми доставки білків до потрібних тканин, імунної відповіді та потрапляння до клітин.