Российские ученые научились модифицировать белки для борьбы с болезнями

Результаты работы опубликованы в журнале Chemical Science (входит в Nature Index). В основе жизнедеятельности всех окружающих нас живых существ лежат специальные молекулы — белки. Среди белков можно выделить два основных класса: так называемые растворимые — те, которые могут свободно перемещаться внутри или снаружи клетки и останутся в растворе, если клетка разрушится, и мембранные — те, которые находятся в оболочках, окружающих клетку или ее органеллы. С мембранными белками гораздо сложнее работать, но при этом зачастую и важнее: они отвечают за перенос веществ внутрь клетки и обратно, передачу сигналов и многое другое. В том числе из-за этого они являются мишенями многих лекарств.

У ученых есть несколько подходов для упрощения работы с мембранными белками, которые чаще всего основываются на использовании поверхностно активных веществ: они обволакивают мембранный белок, а иногда и часть мембраны вокруг него, и делают его растворимым. Такой подход требует значительных усилий и зачастую приводит к выпадению белка в осадок — в буквальном смысле — и потере им своих свойств. Но есть и альтернатива: получение растворимого аналога через изменение самого гена, кодирующего мембранный белок. В целом подобные подходы, называемые белковой инженерией, были удостоены Нобелевской премии по химии в 2024 году. Однако для некоторых задач, в том числе при работе с мембранными белками, инженерия белков пока остается скорее искусством, чем технологией.

Биофизики Центра исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ много работают с мембранными белками — например, человеческими рецепторами и ионными насосами. Поиск возможностей упростить процесс изучения мембранных белков — одна из целей исследований. В работе, опубликованной в журнале Chemical Science, они показали, что можно достаточно простым способом скомбинировать специальную графовую нейронную сеть, ProteinMPNN, с моделированием методом молекулярной динамики, чтобы предсказать последовательности возможных растворимых аналогов мембранных белков. Искусственные растворимые варианты для одного из самых известных мембранных белков, бактериородопсина, полученные учеными, оказались функциональными и весьма удобными в работе. Более того, эти белки стали первым примером разработки аналога мембранного белка, который бы сохранил активный сайт, находившийся внутри мембранной части, и активность которого была бы однозначно подтверждена при помощи спектроскопии и рентгеновской кристаллографии.

«Белковая инженерия развивается невероятно быстро, и было очень интересно попробовать применить в ней свои силы, особенно работая над задачами, которые ранее не удалось решить Нобелевским лауреатам. Теперь, когда этот проект закончен, планируем развивать методы дальше», — говорит Андрей Николаев, ведущий автор работы, аспирант Физтех-школы физики и исследований имени Ландау.

Разработанный подход далее может быть применен сразу в нескольких важных проектах. Так, разработка растворимых аналогов человеческих рецепторов должна позволить ускорить поиск новых лекарственных средств, так как их легче использовать для высокопроизводительного скрининга. С другой стороны, аналоги фотоактивных мембранных белков могут лечь в основу новых молекулярных инструментов для клеточной биологии. Инженерия же белков в целом способствует развитию биотехнологий — применению биомолекул, ферментов и микроорганизмов в сельскохозяйственной, пищевой, фармацевтической и других промышленностях.

«Наш Центр давно занимается применением методов молекулярной биофизики к биологическим молекулам, к которым все чаще присоединяются и подходы белковой инженерии, и синтетической биологии. А то, что работа использует нейронные сети, выполнена в физико-техническом институте и опубликована в журнале с названием Chemical Science — “Химическая наука” — подчеркивает мультидисциплинарность и сложность современных исследований», — замечает Иван Гущин, руководитель проекта, старший научный сотрудник, заведующий лабораторией структурного анализа и инжиниринга мембранных систем Центра исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ.

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки России и Российского научного фонда.