Nova estratégia computacional aumenta a capacidade dos criadores de medicamentos de atingir proteínas dentro da membrana
O processo computacional, ou "fluxo de trabalho", para o design personalizado de proteínas sintéticas destinadas a alvos intramembrana. Crédito:Marco Mravic, Scripps Research Atingir alvos incorporados na membrana celular tem sido difícil para os desenvolvedores de medicamentos devido às propriedades bioquímicas desafiadoras da membrana. Agora, os químicos da Scripps Research demonstraram novas proteínas personalizadas que podem atingir com eficiência esses alvos “intramembranares”.
Em seu estudo, "De Novo Transmembrane Proteins Designed to Bind and Inhibit a Cytokine Receptor" publicado na Nature Chemical Biology , os pesquisadores usaram uma abordagem única baseada em computador para projetar novas proteínas direcionadas à região que atravessa a membrana do receptor de eritropoietina (EPO), que controla a produção de glóbulos vermelhos e pode dar errado em casos de câncer. Além dessas novas moléculas direcionadas à EPO, o estudo produziu um processo computacional geral, ou "fluxo de trabalho", para agilizar o design flexível e personalizado de proteínas destinadas a alvos intramembrana.
Os investigadores estão agora a utilizar a sua abordagem para desenvolver potenciais novos tratamentos intramembranares para uma vasta gama de doenças.
"Este trabalho abre muitas novas possibilidades para a modulação de alvos dentro da membrana celular, inclusive para aplicações terapêuticas e compreensão de mecanismos de sinalização em toda a biologia celular", diz o co-autor correspondente do estudo Marco Mravic, Ph.D., professor assistente no Departamento de Biologia Integrativa Estrutural e Computacional da Scripps Research.
Os outros co-autores correspondentes do estudo foram Daniel DiMaio, MD, Ph.D., da Escola de Medicina de Yale; e William DeGrado, Ph.D., da Escola de Farmácia da Universidade da Califórnia, São Francisco, onde Mravic foi anteriormente Ph.D. estudante.
"Um dos principais objetivos da biologia sintética é projetar proteínas com atividade biológica - aqui, relatamos o projeto e o teste de uma pequena proteína que perturba especificamente a atividade de um receptor proteico muito maior envolvido no crescimento e diferenciação das células sanguíneas", diz DiMaio, que é professor de Genética e de Biofísica Molecular e Bioquímica e vice-diretor do Yale Cancer Center.
"Conseguimos isso visando o segmento do receptor que atravessa a membrana celular. Como muitas proteínas celulares contêm segmentos que abrangem a membrana estruturalmente conservados, esta abordagem geral pode ser aplicável a muitos outros alvos proteicos e fornece uma nova ferramenta para modular o comportamento de células."
Atingir alvos intramembrana tem sido um objetivo importante na biomedicina, uma vez que muitas proteínas nas células – especialmente proteínas receptoras – possuem domínios funcionalmente importantes dentro da membrana. Essas proteínas têm papéis proeminentes em quase todas as áreas da saúde e da doença.
No entanto, os alvos intramembranares não são alvos comuns. As membranas celulares geralmente são feitas de duas camadas de moléculas "lipídicas" relacionadas à gordura, bem espaçadas, que são repelentes à água e possuem outras propriedades únicas e complexas. Isto torna o espaço intramembranar um alvo muito mais difícil para os criadores de medicamentos, em comparação com as zonas aquosas das superfícies ou interiores das células.
“Há muito poucos exemplos bem-sucedidos de medicamentos direcionados a esse espaço dentro da membrana”, diz Mravic.
Esses poucos sucessos, que incluem tratamentos para distúrbios de plaquetas baixas e fibrose cística, vieram de exames cegos de grandes bibliotecas de compostos ou de um mimetismo próximo de proteínas conhecidas por interagirem com proteínas parceiras dentro da membrana celular.
Por outro lado, Mravic e colegas decidiram projetar proteínas completamente novas – pequenas chamadas peptídeos – para atingir alvos proteicos intramembrana de maneiras novas e diversas. Para fazer isso, eles tiveram que estender a fronteira dos métodos computacionais, combinando a "mineração de dados" de interações conhecidas entre proteínas em membranas com previsões tradicionais de interações proteicas baseadas na física.
Em última análise, Mravic e os seus colegas conceberam as primeiras proteínas que se ligam à porção que atravessa a membrana do receptor da EPO de uma nova forma – não vista na natureza. A equipe mostrou que essas proteínas bloqueiam de maneira muito específica e potente a função do receptor, em contraste com abordagens anteriores.
Os resultados podem ser de interesse mais imediato para os investigadores que procuram novas formas de inibir o receptor da EPO, que é frequentemente activado de forma anormal pelas células tumorais para manter o seu crescimento e sobrevivência. Mas para Mravic e seus colegas, o estudo representa acima de tudo uma prova de princípio de uma abordagem nova e mais flexível para o direcionamento intramembrana.
“Pretendemos usar esta abordagem para atingir proteínas de membrana em vários processos biológicos e áreas de doenças, incluindo câncer, distúrbios imunológicos e dor”, diz Mravic.
Ele também espera que o fluxo de trabalho computacional que ele projetou para o projeto seja um acelerador geral do projeto de medicamentos direcionados à membrana.
“Antes, o processo envolvia basicamente duas pessoas em uma sala escura olhando para a tela de um computador e dizendo:'Sim, acho que isso parece melhor do que aquilo'”, diz Mravic. "Agora, automatizamos grande parte do processo de design de moléculas e da tomada de decisões no computador. Ser mais modular, flexível e simplificado permite que o método seja mais acessível para uma gama mais ampla de cientistas."
Mravic e seus colegas postaram suas ferramentas computacionais para uso público no Github.
