V roce 1959 navrhl americký biochemik Walter Kauzmann radikální řešení Problém struktury proteinů. V té době nebylo jasné, jak se proteiny, pracovní koly buňky, skládají do jejich jedinečných trojrozměrných forem.
Každý protein je tvořen sadou 20 aminokyselin, spíše jako korálky na řetězci. Délka a pořadí těchto aminokyselinových kuliček určují, jak se tento protein skládá do svého jedinečného tvaru. To je důležité, protože tvar proteinu je pro jeho funkci nezbytný. Jakékoli narušení této struktury ničí schopnost proteinu vykonávat svou práci. Jak příroda zajišťuje správné skládání proteinů pokaždé zůstává jedním z největších záhad ve vědě.
Jádrem problému je znalost, že aminokyseliny interagují s vodou dvěma odlišnými způsoby. Někteří z nich, jako lysin, milují vodu. Tyto hydrofilní aminokyseliny se snadno rozpustí a dobře promíchají s vodou. A pak jsou tu ti, jako je tryptofan, kteří nemají rádi vodu. Tyto hydrofobní aminokyseliny se nemíchají s vodou a mají tendenci se jim co nejvíce vyhýbat, v rozsahu, kdy se často shlukují, aby se minimalizovaly expozici vody.
Protože je asi 70% buňky vyrobeno z vody, způsob, jakým jsou aminokyseliny uspořádány a jak toto uspořádání interaguje s molekulami vody, je klíčová pro to, jak se skládají. Pokud protein obsahuje úsek hydrofobních aminokyselin, bude mít přirozeně tendenci agregovat a zhubnout celý protein v tomto procesu.
Citlivé na změnu
Kauzmann stavěl na této myšlence a navrhováno Tyto proteiny mají jádro převážně složené z hydrofobních aminokyselin a povrchu vyrobeného primárně z hydrofilních aminokyselin.
Teorie se ukázala jako správná v následující dekádě, kdy vědci začali přesně mapovat proteinové struktury rentgenovou krystalografií a pilou To, co předpověděl, je pravda: Hydrofobní aminokyseliny byly často pohřbeny v jádru, zatímco hydrofilní měly tendenci lokalizovat se na povrch.
Další výzkum ukázal, že na rozdíl od povrchu byly aminokyseliny v jádru také velmi citlivé na změny. Zdálo se, že i drobné modifikace v jádru by mohly narušit tvar proteinu a následně fungovat.
Dalším důkazem podporujícím tuto myšlenkovou linii bylo, že aminokyselinové sekvence z jádra proteinů společné pro různé formy života byly pozoruhodně podobné. Bylo odůvodněno, že tomu tak bylo, protože příroda si nemohla dovolit je změnit bez smrtelných důsledků.
Ale to vyvolalo další otázku. Pokud jsou účinky nesprávné aminokyselinové kombinace tak drastické, jak se příroda, zatímco se spoléhala na pomalou, přírůstkovou pokus a omyl, podařilo se najít funkční proteinové struktury vůbec?
Dokonce i pro skromné jádro proteinu s 60 aminokyselinou je počet možných kombinací kolem 1078Číslo srovnatelné s odhadovaným počtem atomů ve známém vesmíru. Je ohromující, že evoluce dokázal navigovat tak obrovským prostorem možností najít stabilní, funkční sekvence ne jednou, ale znovu a znovu, napříč miliony proteinů, které se dnes nacházejí v životě.
Toto tajemství bylo konečně odpočívat týmem z Centra pro genomickou regulaci ve Španělsku a Institutu Wellcome Sanger ve Velké Británii
Důsledky pro terapeutické proteiny
V novém papír v VědaTým zpochybnil původní předpoklad, že proteinová jádra jsou citlivá na změnu tím, že argumentují, že z astronomicky vysokého počtu kombinací proteinových jader, které jsou možné, bylo jen málo testováno. Změny provedené v těchto studiích byly také lokalizovány do malých regionů a neumožňovaly kompenzace úprav jinde v proteinu.
Tým to pokračoval v testování tím, že nejprve vytvořil knihovnu 78 125 různých kombinací aminokyselin na sedmi místech v jádrech tří proteinů: doména SH3 Fyn tyrosinové proteinové kinázy od lidí, CSPA z ječmene a CSPA z Vykazovali chill bakterie. Poté testovali stabilitu některých z těchto kombinací, aby posoudili dopad změn, které zavedli v proteinu.
Je pozoruhodné, že autoři zjistili, že zatímco většina kombinací byla skutečně škodlivá, několik z nich zůstalo stabilní, což ukazuje, že proteinová jádra jsou odolnější ke změně, než se dříve věřilo. Skutečný počet stabilních kombinací se lišil od proteinu k proteinu, přičemž nejvyšší z nich byl lidský SH3-FYN, který vykazoval více než 12 000 různých stabilních jádrových konformací.
Tým pak tato data napájela do algoritmu strojového učení, aby zkontroloval, zda by na základě jejich dat mohli předvídat stabilitu proteinu na základě samotné aminokyselinové sekvence. Testovali svůj model na 51 159 přirozených sekvencích SH3 ve všech oblastech života, které jsou dostupné ve veřejných databázích, a zjistili, že by mohla přesně předpovídat stabilitu, i když byly sekvence menší než 25% podobné lidskému SH3.
Výsledky studie mají několik důležitých důsledků pro terapeutické proteinové inženýrství. Mnoho proteinů vyvolává nežádoucí imunitní reakci, když se podávají v důsledku jejich aminokyselinové sekvence. Změna této aminokyselinové sekvence byla pomalým a bolestivým procesem, protože se věřilo, že příliš mnoho změn, zejména v jádru, by narušilo strukturu proteinů. Nyní, s novými poznatky, může být možné proces urychlit prověřováním větších kombinací s mnoha dalšími změnami, než se dříve pokusilo.
Přestože studie má jasný slib pro terapeutické aplikace, její hlubší význam spočívá v tom, co to znamená pro základní biologii. Znalost, že proteinové jádro je tolerantní k větší míře, je vhled, který rezonuje mimo medicínu a do samotné povahy evoluce. Je nám připomínkou, že život na nejhlubší úrovni je mnohem přizpůsobivější, než jsme si představovali.
Arun Panchapakesan je docentem v Centru pro výzkum AIDS a vzdělávání v Yr Gaitonde Center, Chennai.
Publikováno – 10. srpna 2025 05:30
