Un nuovo modo di progettare proteine modulari
Le proteine, le complesse molecole responsabili della maggior parte del lavoro svolto dalle nostre cellule, rivestono un ruolo essenziale nella struttura, nella funzione, nella regolazione e nel benessere dell’organismo. Ma se le proteine potessero fare ancora di più? «Le proteine naturali rappresentano solo una minima parte di tutte le possibili sequenze e strutture proteiche», spiega Roman Jerala, biochimico attivo presso l’Istituto Nazionale di Chimica(si apre in una nuova finestra) della Slovenia. La sfida consiste nel progettare con successo nuove proteine che non si sono ancora evolute in natura. «Creare strutture proteiche dotate di nuove forme e caratteristiche potrebbe aprire le porte a nuove scoperte in ambito di medicina, tecnologia e scienza», aggiunge Jerala. A rispondere a questa sfida è il progetto MaCChines(si apre in una nuova finestra), guidato proprio da Jerala.
i vantaggi offerti dai moduli di costruzione delle eliche superavvolte
Il progetto, che ha ricevuto il sostegno del Consiglio europeo della ricerca(si apre in una nuova finestra) (CER), si è proposto di far progredire la progettazione di proteine modulari basate su quelli che sono noti come moduli di costruzione delle eliche superavvolte. Secondo quanto spiegato da Jerala, il ricercatore principale, queste composizioni sono costituite da due o più eliche peptidiche (una struttura secondaria presente nelle proteine) attorcigliate l’una intorno all’altra. A differenza delle proteine evolutesi in maniera naturale, il cui ripiegamento è definito dal nucleo idrofobico, queste proteine sviluppate in laboratorio sono definite dalla disposizione di moduli che formano un dimero di eliche superavvolte collegati in un’unica catena polipeptidica, la quale si assembla in un percorso predefinito e forma successivamente nuovi ripiegamenti proteici. I moduli di formazione del dimero mediano l’interazione di due subunità proteiche (dimeri proteici), fondamentali per lo svolgimento di una serie di funzioni cellulari. Gli scienziati hanno la possibilità di utilizzare questi moduli al fine di progettare proteine caratterizzate da funzioni e interazioni specifiche. «Tali molecole programmabili sono dotate di molte proprietà e possono essere prodotte dalle fabbriche cellulari in modo sostenibile ed efficiente dal punto di vista energetico e delle risorse», spiega Jerala. «Inoltre, in virtù della loro struttura definita su scala nanometrica, ci aspettiamo che siano efficienti in termini di riconoscimento, consegna e catalisi e che trovino applicazioni nei settori della medicina, della biotecnologia e altri ancora.»
Risultati al di là delle aspettative
Utilizzando questi moduli di costruzione delle eliche superavvolte, il progetto MaCChines ha progettato e caratterizzato nuovi tipi di gabbie proteiche sconosciute in natura, ne ha regolato l’assemblaggio e il disassemblaggio utilizzando ioni metallici e proteasi, ha ideato il loro percorso di ripiegamento e ne ha dimostrato l’utilizzo per diversi tipi di regolazione cellulare. «Il progetto è stato molto produttivo e, per molti aspetti, ha persino superato le mie aspettative», osserva Jerala. I costrutti del progetto sono a disposizione su Addgene(si apre in una nuova finestra) e sono già impiegati, tra gli altri soggetti, da ricercatori che operano nel campo della biologia sintetica e delle biotecnologie.
Il ruolo della progettazione modulare di proteine in un mondo basato sull’intelligenza artificiale
Il progresso è incredibilmente veloce e la progettazione delle proteine non fa eccezione. In effetti, le recenti proteine basate sull’intelligenza artificiale (IA) stanno già traducendo in realtà i sogni dei progettisti di proteine; ciononostante, Jerala è fiducioso che il lavoro svolto nell’ambito del progetto continuerà ad esercitare un impatto duraturo. «Anche se stiamo abbracciando pienamente la tecnologia di progettazione generativa delle proteine, i principi alla base della progettazione modulare delle proteine costituiscono un aspetto non realizzabile dalla tecnologia basata sull’IA», dichiara Jerala, che conclude: «Alcune delle nostre progettazioni dotate di strutture determinate sperimentalmente non possono ancora essere previste dai programmi di IA a causa della complessità della loro topologia.» Con il sostegno del nuovo progetto PROFI, finanziato dal CER, nonché sfruttando le basi stabilite da MaCChines, il team di ricerca di Jerala sta ora spostando la sua attenzione sulla regolazione delle cellule di mammifero mediante l’impiego di proteine progettate in laboratorio e si augura inoltre di approfondire la traduzione degli strumenti della biologia sintetica in applicazioni terapeutiche.
Parole chiave
MaCChines, proteine, sequenze proteiche, strutture proteiche, proteine modulari, moduli di costruzione di eliche superavvolte, nanotecnologia, cellule, molecole, medicina, biotecnologia, PROFI
