Protein-Design im Hinblick auf ihre Umwelt
Proteine sind die Motoren des Lebens und treiben Prozesse wie Muskelbewegungen, Sehkraft und chemische Reaktionen an. Ihre Umgebung – Wasser, Lipidmembranen oder andere kondensierte Phasen – ist entscheidend für ihre Funktion und prägt ihre Struktur und Wechselwirkungen.
Doch viele moderne Methoden für das Design von Proteinen, einschliesslich KI-basierter Werkzeuge, ignorieren oft, wie diese Umgebung Proteine beeinflusst. Diese Lücke schränkt unsere Fähigkeit ein, Proteine mit neuen Funktionen zu schaffen, und bremst den Fortschritt in der Medizin und im Bioengineering.
Eine Gruppe von Proteinen, die in solchen spezialisierten Umgebungen arbeiten, sind die Membranrezeptoren, die wie biologische «Antennen» wirken, Signale aus der Umgebung wahrnehmen und zelluläre Reaktionen auslösen.
Unter den Proteinen sind die G-Protein-gekoppelten Rezeptoren (GPCRs) von zentraler Bedeutung dafür, wie Zellen äussere Reize wahrnehmen und auf sie reagieren. Um ihre Signalwirkung zu entfalten, sind GPCRs auf ein delikates Zusammenspiel zwischen struktureller Stabilität, Flexibilität und Ligandenbindung angewiesen – ein Balanceakt, der häufig durch Wasser vermittelt wird. Gemeinsam ermöglichen sie es den GPCRs, ihre Form zu verändern und die empfangenen Signale an die Zelle weiterzuleiten.
Diese molekularen Torwächter sind so wichtig für die normale Zellfunktion, dass etwa ein Drittel aller auf dem Markt befindlichen Medikamente auf sie abzielen. GPCRs stehen aber auch im Mittelpunkt des Protein-Engineerings, wobei versucht wird, diese Rezeptoren zu optimieren, um die Wirksamkeit von Medikamenten zu erhöhen, neue Behandlungsmethoden für Krankheiten zu entwickeln und sie sogar als Biosensoren in der synthetischen Biologie zu verwenden.
Der Haken an der Sache? GPCRs sind unglaublich komplex, und da sie für ihre Funktion auf Wasser angewiesen sind, war es bisher unmöglich, sie auf rationale Weise zu verändern – bis jetzt.
Ein Team von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern unter der Leitung von Patrick Barth an der EPFL hat fortschrittliche Berechnungswerkzeuge entwickelt, die darauf abzielen, die Skalen der wasservermittelten Wechselwirkungen von GPCRs zu verschieben, um neue Membranrezeptoren zu entwickeln, die ihre natürlichen Gegenstücke übertreffen. Ihre Arbeit, die jetzt in Nature Chemistry veröffentlicht wurde, könnte zu besseren Medikamenten und neuen Werkzeugen in der synthetischen Biologie führen.
«Wasser ist überall», sagt Lucas Rudden, Mitautor der Studie, «es ist der unbesungene Held der Proteinfunktion, aber es wird bei der Entwicklung oft ignoriert, besonders wenn wir uns mit der Allostrie von Membranrezeptoren befassen, weil sie schwer explizit zu modellieren ist. Wir wollten eine Methode entwickeln, mit der wir neue Sequenzen entwerfen und dabei die Auswirkungen von Wasser in diesen komplizierten Wasserstoffbrückenbindungsnetzwerken berücksichtigen können, die für die Weiterleitung von Signalen in die Zelle so wichtig sind.»
Das Herzstück der Arbeit ist ein computergestütztes Design-Tool namens SPaDES. Die Forschenden nutzten es, um synthetische GPCRs zu entwickeln. Sie begannen mit dem Adenosin-A2A-Rezeptor als Vorlage und konzentrierten sich auf die Modifizierung seiner «Kommunikationsknotenpunkte», wichtiger Interaktionsstellen zwischen Wassermolekülen und Aminosäuren. Diese Knotenpunkte wirken wie Schaltzentralen, die Informationen im gesamten Protein weiterleiten. Durch den Entwurf von Netzwerken, die die durch Wasser vermittelten Verbindungen optimieren, schuf das Team 14 neue Rezeptorvarianten.
Mit der SPaDES-Software konnten sie simulieren, wie sich diese Änderungen auf die Formen und Funktionen der Rezeptoren in verschiedenen kritischen Zuständen auswirken würden. Nach dem rechnerischen Screening synthetisierte das Team die vielversprechendsten Rezeptoren und testete ihre Aktivitäten in Zellen.
Die Ergebnisse waren bemerkenswert: Die Dichte der durch Wasser vermittelten Wechselwirkungen erwies sich als Schlüsselfaktor für die Aktivität der Rezeptoren. Rezeptoren mit mehr dieser Wechselwirkungen wiesen eine höhere Stabilität und Signaleffizienz auf. Das vielversprechendste Design, Hyd_high7 genannt, nahm sogar eine unerwartete und unvorhergesehene Form an, was die Designmodelle bestätigte.
Die 14 neuen Rezeptoren übertrafen ihre natürlichen Gegenstücke in mehrfacher Hinsicht, einschliesslich ihrer Fähigkeit, bei hohen Temperaturen stabil zu bleiben, und ihrer verbesserten Fähigkeit, Signalmoleküle zu binden. Diese Eigenschaften machen sie nicht nur funktionell überlegen, sondern auch robuster für den Einsatz in der Arzneimittelforschung und der synthetischen Biologie.
Diese Arbeit birgt ein enormes Potenzial für Medizin und Biotechnologie. Da die neue Methode die präzise Herstellung von Membranrezeptoren ermöglicht, könnte sie zu gezielteren Therapien für Krankheiten wie Krebs und neurologische Störungen führen. Neben der Medizin könnten diese synthetischen Rezeptoren auch in Biosensoren oder anderen Instrumenten zur Erkennung von Umweltveränderungen eingesetzt werden.
Die Ergebnisse stellen auch lang gehegte Annahmen über die Funktionsweise von GPCRs in Frage und zeigen eine unerwartete Flexibilität in ihren durch Wasser vermittelten Interaktionsnetzwerken. Dies eröffnet neue Wege zur Erforschung eines bisher ungenutzten Potenzials dieser Proteine in der Natur und im Labor.
