Пептиды лассо — это натуральные продукты, вырабатываемые бактериями. Их необычная форма лассо наделяет их замечательной устойчивостью, защищая от экстремальных условий. В новом исследовании, опубликованном в Природа Химическая БиологияИсследователи построили и протестировали модели того, как производятся эти пептиды, и продемонстрировали, как эта информация может быть использована для продвижения лекарств на основе пептидов лассо в клинику.

«Пептиды лассо интересны тем, что по сути представляют собой линейные молекулы, связанные в скользящий узел», — сказала Сюзанна Барретт, аспирант лаборатории Митчелла (MMG). «Благодаря их невероятной стабильности и инженерным возможностям они обладают большим потенциалом в качестве терапевтических средств. Также было показано, что они обладают антибактериальными, противовирусными и противораковыми свойствами». Лассо-пептиды

Лассо-пептиды представляют собой молекулы, синтезируемые рибосомами и посттрансляционно модифицированные. Пептидные цепи образуются в результате соединения аминокислот в виде нити, что осуществляется рибосомой. Два фермента, пептидаза и циклаза, затем взаимодействуют, превращая линейный пептид-предшественник в характерную узловатую структуру лассо. С момента своего открытия более трех десятилетий назад ученые пытались понять, как циклаза сворачивает пептид-лассо.

«Одна из основных проблем решения этой проблемы заключалась в том, что с ферментами трудно работать. Обычно они нерастворимы или неактивны, когда вы пытаетесь их очистить», — сказал Барретт.

Одним из редких контрпримеров является фузилассинциклаза, или FusC, которую лаборатория Митчелла охарактеризовала в 2019 году. Бывшие члены группы смогли очистить фермент, и с тех пор он служит моделью для понимания процесса завязывания узлов лассо. Однако структура FusC оставалась неизвестной, что делало невозможным понять, как циклаза взаимодействует с пептидом, сворачивая узел.

В текущем исследовании группа использовала программу искусственного интеллекта AlphaFold для предсказания структуры белка FusC. Они использовали структуру и другие инструменты на основе искусственного интеллекта, такие как RODEO, чтобы точно определить, какие остатки активного центра циклазы важны для взаимодействия с субстратом лассо-пептида.

«FusC состоит примерно из 600 аминокислот, а активный центр содержит 120. Эти программы сыграли важную роль в нашем проекте, поскольку позволили нам провести «структурные исследования» и определить, какие аминокислоты важны в активном центре фермента. «, — сказал Барретт.

Они также использовали моделирование молекулярной динамики, чтобы с помощью вычислений понять, как лассо сворачивается циклазой. «Благодаря вычислительной мощности Folding@home мы смогли собрать обширные данные моделирования для визуализации взаимодействий на атомном уровне», — сказал Сун Инь, аспирант лаборатории Шукла. «До этого исследования не было МД-моделирования взаимодействий между лассо-пептидами и циклазами, и мы думаем, что этот подход будет применим ко многим другим исследованиям в области пептидной инженерии».

В результате своих вычислительных усилий исследователи обнаружили, что среди различных циклаз область задней стенки активного сайта, по-видимому, особенно важна для сворачивания. В FusC это соответствовало участку спирали 11. Затем исследователи провели бесклеточный биосинтез, в ходе которого они добавили все клеточные компоненты, необходимые для синтеза пептидов лассо, в пробирку с вариантами ферментов, которые имели разные аминокислоты в области спирали 11. В конечном итоге они идентифицировали версию FusC с мутацией в спирали 11, которая может сворачивать пептиды лассо, которые не могут быть созданы исходной циклазой. Эти данные подтверждают модель сворачивания пептидов лассо, которую исследователи разработали с помощью своих вычислительных подходов.

«Как ферменты завязывают узел лассо — это увлекательный вопрос. Это исследование дает первое представление о биофизических взаимодействиях, ответственных за создание этой уникальной структуры», — сказал Дивакар Шукла, доцент кафедры химической и биомолекулярной инженерии.

«Мы также показали, что эти молекулярные контакты одинаковы у нескольких циклаз разных типов. Хотя мы не тестировали каждую систему, мы считаем, что это обобщаемая модель», — сказал Барретт.

Сотрудничая с компанией Lassogen из Сан-Диего, исследователи показали, что новые открытия могут помочь в разработке циклазы для создания пептидов лассо, которые иначе невозможно получить. В качестве доказательства концепции они разработали другую циклазу, названную McjC, для эффективного производства мощного ингибитора интегрина, способствующего развитию рака.

«Способность генерировать разнообразие пептидов лассо важна для оптимизации лекарств», — сказал Марк Берк, генеральный директор Lassogen. «Природные ферменты не всегда позволяют нам производить интересующие нас лассо-пептиды, а способность создавать лассоциклазы значительно расширяет терапевтическую полезность этих удивительных молекул».

«Наша работа была бы невозможна без доступа к мощным вычислениям и недавним достижениям в области искусственного интеллекта и методов бесклеточного биосинтеза», — сказал Дуглас Митчелл, профессор химии Джона и Маргарет Уитт. «Эта работа является выдающимся примером того, как междисциплинарное сотрудничество катализируется в Институте геномной биологии Карла Р. Везе. Я благодарен теме MMG в IGB и нашим внешним коллегам из Лассогена за их участие в решении этой сложной проблемы».