Університет Каліфорнії в Сан-Франциско представив дослідження, що демонструє створення синтетичних білків, які здатні змінювати свою форму у відповідь на зовнішні стимули — аналогічно до природних молекул. Це відкриття може відкрити нові можливості в медицині, агросекторі та захисті довкілля. Про це повідомляє медіа про науку, технології та здоров’я КРВ.медіа з посиланням на текст дослідження.
Як працюють природні білки
Білки — це молекули, які виконують широкий спектр життєво важливих функцій у живих організмах. Однією з найважливіших властивостей білків є здатність змінювати свою конфігурацію (конформацію — просторову форму) у відповідь на взаємодію з іншими молекулами. Ці структурні зсуви, що відбуваються за мілісекунди, дозволяють регулювати м’язові скорочення, нейронні сигнали, розщеплення поживних речовин тощо.
Однак синтезувати білки, які б повторювали таку гнучку динаміку в лабораторії, виявилося надзвичайно складно. Упродовж десятиліть інженери створювали переважно стабільні й нерухомі структури білків, які були ефективними для фіксованих завдань — наприклад, у мийних засобах або виробництві інсуліну. Така стратегія не давала змоги реалізувати складні механізми ввімкнення й вимкнення, притаманні природним системам.
Технологічний прорив: синтетичні білки, що рухаються
Команда з Університету Каліфорнії в Сан-Франциско під керівництвом професорки Таньї Кортемме досягла прориву, створивши штучний білок, здатний переходити між двома стабільними станами. Аспірантка Емі Ґо сфокусувалася на модифікації простої білкової структури, додавши коротку гнучку петлю — рухомий фрагмент, який дозволяє білку зв’язувати іон кальцію. У присутності кальцію білок набуває однієї форми, а за його відсутності — повертається до іншої.
Цей механізм підтверджено за допомогою ядерно-магнітного резонансу (NMR), який провів хімік Марк Келлі. Ретельна комп’ютерна симуляція за участю інструментів глибокого моделювання підтвердила стабільність обох форм білка. Використано також інструменти з бібліотек структурних моделей, зокрема програму AlphaFold2 — систему штучного інтелекту, розроблену компанією DeepMind (Google), яка прогнозує тривимірну форму білків.
Переваги штучних білків над природними
Синтетичні білки дають змогу не лише повторити функції природних, а й створити нові властивості, які не зустрічаються в природі. Наприклад, у такому білку можна керовано закладати перемикання між активною та неактивною формою, що є ключовим для створення біосенсорів або терапевтичних засобів.
Крім того, гнучкі білки здатні діяти лише у присутності певного сигналу — і саме така поведінка робить їх ефективними, енергозберігаючими та адаптивними. Подібна функціональність відкриває шлях до створення білкових сенсорів, що реагують на хімічні зміни в організмі, або навіть до білків, які змінюють структуру під механічним навантаженням.
Застосування: медицина, сільське господарство, довкілля
Потенційне застосування нової технології охоплює кілька сфер:
-
У медицині — це створення білкових препаратів, які активуються лише за наявності певної молекули або сигналу. Такий підхід зменшує побічні ефекти, оскільки діюча речовина активна лише тоді, коли це потрібно.
-
У сільському господарстві — штучні білки можуть бути вбудовані в рослини, де реагуватимуть на температурні зміни, захищаючи посіви від кліматичних стресів.
-
У екології — передбачається створення білків, що розщеплюють пластик або реагують на токсини у воді чи повітрі.
Одним із перспективних напрямів є також використання таких білків для стабілізації вакцин — їхня гнучкість дозволить реагувати на коливання температур без втрати активності, що особливо важливо для країн із обмеженим доступом до холодового зберігання.
Що далі: перспективи розвитку
У науковому середовищі вже звучать припущення, що синтетичні білки нового покоління можуть діяти як перемикачі в імунній системі. Вони зможуть розпізнавати вірусні частинки, змінювати форму для активації захисту, а після нейтралізації загрози — повертатися до неактивного стану.
Ці білки також можуть стати основою для нових джерел палива або сталих матеріалів у сфері синтетичної біології. За словами Емі Ґо, навіть незначні зміни у білковій структурі можуть повністю трансформувати його функцію.
«Ми хотіли розробити метод проєктування, який можна адаптувати до багатьох завдань», — каже Ґо.
«Це лише перший крок, що виведе нас далеко за межі біомедицини — до аграрної науки, охорони довкілля й інших сфер», — наголосила професорка Кортемме.
