• 20.03.2020

    von Veröffentlicht: 20.03.2020 16:35
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    Im Rosetta@home-Forum wird über eine spannende Publikation berichtet, die an dieser Stelle übersetzt sei.

    Das Designen formverändernder Proteine

    Heute berichten wir über das Design von Proteinsequenzen, die mehr als eine gut gefaltete Struktur annehmen, was an virale Fusionsproteine erinnert. Diese Forschung bringt uns der Schaffung künstlicher Proteinsysteme mit zuverlässigen beweglichen Teilen näher.

    In der Natur verändern viele Proteine ihre Form als Reaktion auf ihre Umgebung. Diese Plastizität ist oft mit der biologischen Funktion verbunden. Während das rechnergestützte Proteindesign dazu verwendet wurde, Moleküle zu schaffen, die sich in einen einzigen stabilen Zustand falten, und natürliche Proteine umzugestalten, um ihre Dynamik oder Faltung zu verändern, ist das Design von Grund auf eng verwandter Sequenzen, die gut definierte, aber divergierende Strukturen annehmen, eine herausragende Herausforderung geblieben.

    Um formverändernde Proteine zu erzeugen, begann ein Team unter der Leitung der kürzlich im Baker-Labor promovierten Kathy Wei damit, Sätze von Aminosäuresequenzen zu identifizieren, von denen vorhergesagt wurde, dass sie sich in sehr unterschiedliche Strukturen falten - in diesem Fall Paare zylindrischer Helixbündel mit unterschiedlichen Längen.

    "Wir wussten von Anfang an, dass wir eine Sequenz zwischen einem kurzen Zustand mit spiralförmigen "Armen", die "nach unten" zeigen, und einem langen Zustand mit spiralförmigen "Armen", die "nach oben" zeigen, umwandeln wollten. Der Plan war, mit Hilfe etablierter Protokolle zunächst verschiedene Proteine zu entwerfen, die sich in jedem der beiden Zustände befinden, und dann die Sequenzen dieser beiden Ausgangspunkte zueinander zu mutieren, bis wir eine Sequenz gefunden haben, die sich in beide Zustände falten lässt", sagt Wei.

    Nach den Designrunden am Computer und Tests im Labor gelang es dem Team, ein einziges Molekül zu schaffen, das in beiden Zuständen zu sehen ist.

    "Eine der größten Herausforderungen bei diesem Projekt war es, einen Weg zu finden, um zu erkennen, ob die Proteine die Form annehmen, für die sie entworfen wurden. Hochdurchsatz-Screeningmethoden neigen dazu, sich auf eine enzymatische Eigenschaft eines Proteins zu verlassen. Da sich diese entworfenen Proteine nur in ihrer Form unterschieden, mussten wir ihre Faltung mittels Kristallographie und NMR überprüfen, was ein langsamer Prozess ist und nicht garantiert zu Ergebnissen führt."

    "Wir haben zwar eine wirklich vielversprechende Proteinsequenz gefunden, die wir in beiden geplanten Zuständen messen können, aber sie ist überraschend viel weniger dynamisch, als wir erwartet hätten. Als Nächstes wollen wir verstehen, wie wir die Konformationsänderungen dynamischer machen und wie wir sie kontrolliert auslösen können."

    Dem Team gehörten Wissenschaftler der Universität von Washington, der UC Berkeley, der UC Santa Cruz und der Stanford University an. Ihre Arbeit wurde von NIH, DOE, HHMI und dem Chan Zuckerberg Biohub unterstützt.

    Originaltext:
    Zitat Zitat von https://www.ipd.uw.edu/2020/03/designing-shape-shifting-proteins/
    Today we report the design of protein sequences that adopt more than one well-folded structure, reminiscent of viral fusion proteins. This research moves us closer to creating artificial protein systems with reliable moving parts.

    In nature, many proteins change shape in response to their environment. This plasticity is often linked to biological function. While computational protein design has been used to create molecules that fold to a single stable state and to re-engineer natural proteins to alter their dynamics or fold, the design from scratch of closely related sequences that adopt well-defined but divergent structures has remained an outstanding challenge.
    Kathy Wei, Ph.D.

    To create shape-shifting proteins, a team led by recent Baker lab postdoc Kathy Wei, Ph.D., began by identifying sets of amino acid sequences predicted to fold into very different structures — in this case, pairs of cylindrical helical bundles with different lengths.

    “We knew from the beginning that we wanted a sequence to transform between a short state with helical “arms” pointed “down” and a long state with helical “arms” pointed “up”. The plan was to use established protocols to first design different proteins that are in each of the two states and then mutate the sequences of these two starting points toward each other until we found a sequence that could fold into both states,” said Wei.

    After rounds of design on the computer and testing in the lab, the team succeeded in creating a single molecule that could be seen in both states.

    “One of the main challenges for this project was finding a way to tell if the proteins took on the shape they were designed to be in. High-throughput screening methods tend to rely on an enzymatic property of a protein. Since these designed proteins only differed in their shapes, we had to use crystallography and NMR to check their folding, which is a slow process and not guaranteed to yield results.”

    “While we found a really promising protein sequence that we can measure in both of the designed states, it’s surprisingly much less dynamic than we would’ve expected. Next, we want to understand how to make the conformational changes more dynamic and how to trigger them in a controlled manner.“

    The team included scientists from the University of Washington, UC Berkeley, UC Santa Cruz, and Stanford. Their work was supported by the NIH, DOE, HHMI and the Chan Zuckerberg Biohub.
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