Биохимики прогнозируют свойства химерных белков

Ученые из России и США при поддержке Роснауки и фонда CRDF собираются с помощью компьютера построить искусственные белки с запрограммированными функциями, а потом на опыте проверить справедливость своих расчетов. Такое сочетание математического расчета и биологического эксперимента должно сэкономить немало сил и денег.

Совсем недавно главным орудием биохимика были хроматограф или установка для электрофореза, а ныне их потеснил компьютер: специалисты по биоинформатике создали специальные программы для моделирования биохимических процессов и поведения сложных молекул. К реальному эксперименту приступают только тогда, когда все тупиковые направления отсеяны и перед глазами исследователя открывается прямой путь к поставленной цели. Именно такой подход использовали исследователи из НИИ биомедицинской химии им. В. Н. Ореховича РАМН во главе с кандидатом биологических наук А. В. Лисицей и их американские коллеги из Университета Вандербилта во главе с доктором Ларисой Подуст (Larissa M. Podust). Финансовую поддержку проекту оказали Роснаука и фонд CRDF, а создавать ученые будут искусственные белки семейства цитохромов P450.

По-видимому, ведущую роль в структурной организации цитохромов P450 (на рисунке) и их взаимодействии с химическими веществами играют определенные пространственные конфигурации отдельных фрагментов белка, характерные складки и спирали этой длинной молекулы (изображение с сайтов quanta.synchem.kyoto-u.ac.jp и steve.gb.com).

Белки этого семейства играют важную роль в организме: они отвечают за окисление вредных для клеток чужеродных химических соединений — ксенобиотиков. Окисление способствует выведению ксенобиотиков из организма, обеспечивая очищение клеток от химического шлака. Первостепенное значение цитохромов P450 привело к тому, что эти белки встречаются практически во всех ныне существующих организмах — в бактериях, растениях, грибах и животных. Сохраняя универсальность общей функции, цитохромы P450 проявляют большое разнообразие в своей структурной организации.

Основная идея ученых — рассматривать различные структурные элементы реально существующих белков в качестве своеобразного конструктора, из которого можно собирать искусственные белки-химеры, сочетающие в себе компоненты нескольких различных структур. Предполагается, что химеры смогут выполнять заранее запрограммированную биологическую функцию. Зачем это нужно? Ответ прост: искусственные белки на основе цитохромов P450 могут быть использованы биотехнологами для проведения сложных химических синтезов, ведущих к созданию прототипов лекарств, препаратов агрохимии и много другого.

Главный вопрос, стоящий перед исследователями: по каким правилами можно «играть» в конструктор, состоящий из элементов белков? «Примерно три года назад мы выдвинули гипотезу о том, что ведущую роль в структурной организации цитохромов P450 и их взаимодействии с химическими веществами играют мотивы, то есть определенные пространственные конфигурации отдельных фрагментов белка, характерные складки и спирали этой длинной молекулы, — говорит Андрей Валерьевич Лисица. — Именно их мы будем определять на первом этапе работы. Затем с помощью компьютера станем заменять одни мотивы на другие, и расчет трехмерных структур позволит отобрать такие белки-химеры, которые примут нужную пространственную конфигурацию и будут отвечать за определенные функции, а не останутся после синтеза бессмысленной цепочкой молекул. Дальше же к работе приступит нейрокомпьютер».

Этим модным словом специалисты по биоинформатике обозначают программу, построенную в виде сети виртуальных нейронов — что-то вроде упрощенного представления мозга. Такая сеть способна накапливать информацию и обучаться. На примере экспериментально известных реакций целого спектра веществ с цитохромами P450 сеть будет обучаться узнавать верные варианты взаимодействия. Потом ей дадут задание оценить, с какими веществами будет взаимодействовать искусственный белок, созданный из элементов природных структур. Работа будет считаться успешной, если удастся доказать, что разработанная методика позволяет правильно прогнозировать функции искусственных белков.

«Современные методы генной инженерии позволяют достаточно легко сделать трансгенный (рекомбинантный) организм, который станет синтезировать спроектированную на компьютере белок-химеру, — говорит А. В. Лисица. — Необходимые препараты для этого сделают и передадут нам американские коллеги, а мы в России будем клонировать микроорганизмы, очищать выработанный ими белок и с помощью американских реагентов проверять их активность. Если всё сложится удачно, наработанные препараты искусственных белков будут отправлены в Университет Вандербилта, где их закристаллизуют, а затем проведут исследование структуры для оценки правильности компьютерных моделей. В этих опытах будет участвовать один из наших студентов, который поедет в США для приобретения навыков белковой кристаллографии. Разработанную же в ходе работы статистическую модель можно будет использовать для рационального построения других белков с новыми или улучшенными свойствами».

Сергей Комаров, «Информнаука».
Опубликовано на http://elementy.ru/