Arte molecular que descreve as novas proteínas que podem se mover de forma previsível, maneiras ajustáveis em resposta ao seu ambiente. As proteínas foram projetadas do zero em computadores, então produzido em células vivas. Crédito:Ian Haydon / Institute for Protein Design
Foram criadas proteínas sintéticas que se movem em resposta ao ambiente de maneiras previsíveis e ajustáveis. Essas moléculas móveis foram projetadas do zero em computadores, em seguida, produzido dentro de células vivas.
Funcionar, proteínas naturais muitas vezes mudam de forma de maneiras precisas. Por exemplo, a proteína hemoglobina do sangue deve flexionar enquanto se liga e libera uma molécula de oxigênio. Alcançando movimento molecular semelhante por design, Contudo, tem sido um desafio de longa data.
A edição de 17 de maio de Ciência relata o projeto bem-sucedido de moléculas que mudam de forma em resposta às mudanças de pH. (pH é uma escala química de básico a ácido.)
O Institute for Protein Design da University of Washington School of Medicine liderou a pesquisa multi-institucional.
Os pesquisadores decidiram criar proteínas sintéticas que se automontam em configurações projetadas em pH neutro e se desmontam rapidamente na presença de ácido.
Os resultados mostraram que essas proteínas dinâmicas se movem conforme pretendido e podem usar seu movimento dependente do pH para romper as membranas lipídicas, incluindo aqueles no endossomo, um compartimento importante dentro das células.
Esta capacidade de desregulação da membrana pode ser útil para melhorar a ação do fármaco. Moléculas volumosas de drogas entregues às células geralmente se alojam nos endossomos. Preso lá, eles não podem realizar o efeito terapêutico pretendido.
A acidez dos endossomos difere do resto da célula. Essa diferença de pH atua como um sinal que aciona o movimento das moléculas de design, permitindo-lhes romper a membrana do endossoma.
"A capacidade de projetar proteínas sintéticas que se movem de maneiras previsíveis permitirá uma nova onda de medicamentos moleculares, "disse o autor sênior David Baker, professor de bioquímica da UW School of Medicine e diretor do Institute for Protein Design. "Como essas moléculas podem permeabilizar os endossomos, eles são muito promissores como novas ferramentas para entrega de drogas. "
Scott Boyken, um recente pós-doutorado no Institute for Protein Design da University of Washington School of Medicine, projeta novas moléculas de proteína com peças móveis. Crédito:Conrado Tapado / Instituto de Design de Proteínas
Os cientistas há muito buscam arquitetar a fuga endossômica.
"O rompimento das membranas pode ser tóxico, por isso é importante que essas proteínas sejam ativadas apenas nas condições certas e no momento certo, uma vez que eles estão dentro do endossomo, "disse Scott Boyken, um pós-doutorado recente no laboratório Baker e autor principal do projeto recente.
Boyken alcançou o movimento molecular em suas proteínas projetadas ao incorporar uma substância química chamada histidina. Em condições neutras (nem básicas nem ácidas), a histidina não tem carga elétrica. Na presença de uma pequena quantidade de ácido, ele pega carga positiva. Isso o impede de participar de certas interações químicas. Esta propriedade química da histidina permitiu à equipe criar conjuntos de proteínas que se desfazem na presença de ácido.
"Projetar novas proteínas com partes móveis tem sido um objetivo de longo prazo do meu trabalho de pós-doutorado. Como projetamos essas proteínas do zero, fomos capazes de controlar o número exato e a localização das histidinas, "disse Boyken." Isso nos permitiu ajustar as proteínas para se decomporem em diferentes níveis de acidez. "
Outros cientistas da UW, The Ohio State University, Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, e o Campus de Pesquisa Janelia do Howard Hughes Medical Institute contribuíram para esta pesquisa.
Aqueles no Grupo de Vicki Wysocki na OSU usaram espectrometria de massa nativa para determinar a quantidade de ácido necessária para causar a desmontagem das proteínas. Eles confirmaram a hipótese do projeto de que ter mais histidinas nas interfaces entre as proteínas faria com que os conjuntos entrassem em colapso mais repentinamente.
Os colaboradores do laboratório Kelly Lee da UW School of Pharmacy mostraram que as proteínas projetadas rompem as membranas artificiais de uma maneira dependente do pH que reflete o comportamento das proteínas de fusão da membrana natural.
Experimentos de acompanhamento conduzidos no laboratório de Jennifer Lippincott-Schwartz no Janelia Research Campus do HHMI mostraram que as proteínas também rompem as membranas endossômicas em células de mamíferos.
Os vírus reprojetados que podem escapar dos endossomos são os veículos de distribuição de drogas mais comumente usados, mas os vírus têm limitações e desvantagens. Os pesquisadores acreditam que um sistema de entrega de drogas feito apenas de proteínas projetadas poderia rivalizar com a eficiência da entrega viral sem as desvantagens inerentes.
