|
Белковая инженерия раскрывает тайны жизни
|
|
|
|
Белки - это нечто гораздо большее, чем просто питательные вещества, содержащиеся в пище. Практически каждая реакция организма, которая делает возможной жизнь, включает в себя эту большую группу молекул. И когда что-то идет не так с нашим здоровьем, белки обычно становятся частью проблемы.
|
|
|
|
Например, при определенных видах сердечных заболеваний белки в сердечной ткани, видимые с помощью микроскопии с высоким разрешением, явно нарушены. Алекс Данн, профессор химической инженерии, описывает белки как балки в доме: "Мы видим, что в нездоровых клетках сердечной мышцы все эти балки расположены не на своем месте".
|
|
|
|
Белки - это рабочие лошадки клетки, которые делают возможными биохимические процессы жизнедеятельности. Эти рабочие лошадки включают ферменты, которые связываются с другими молекулами для ускорения реакций, и антитела, которые прикрепляются к вирусам и предотвращают их заражение клеток.
|
|
|
|
"Белки перемещают объекты по клетке. Они передают сигналы извне клетки, изменяя уровни экспрессии генов. Они катализируют все химические реакции, которые делают возможной жизнь", - говорит Полли Фордайс, доцент кафедры биоинженерии и генетики.
|
|
|
|
Понимание того, как белки делают все это, может помочь решить фундаментальные вопросы о том, как белки организуются в более крупные структуры и как точно настраивать их функции для применения в медицине, промышленности и других областях. Эти вопросы вдохновляют инженеров Стэнфорда изучать молекулы, необходимые для жизни, со всех сторон.
|
|
|
|
|
|
|
Визуализация белков для раскрытия их функций
|
|
|
|
Многие секреты белков связаны с их сложной структурой, объясняет Брайан Хи, доцент кафедры химической инженерии. На базовом уровне белки состоят из длинных цепочек аминокислот. Эти цепочки часто образуют спирали и складки, образуя трехмерную структуру. Множество белков также могут связываться друг с другом, образуя белковый комплекс. Способ организации белков влияет на их функцию.
|
|
|
|
Чтобы лучше понять эту организацию, Вах Чиу, профессор биоинженерии, микробиологии и иммунологии, а также фотонной науки, изучает белки с высоким разрешением — вплоть до размеров отдельной аминокислоты. Метод, который он помог разработать, называемый криогенной электронной микроскопией, или cryo-EM, позволяет исследователям видеть белки так, как никогда ранее.
|
|
|
|
Предыдущие методы визуализации требовали кристаллизации клеток в повторяющийся узор, но крио-ЭМ замораживает белок с помощью вспышки, чтобы сохранить его естественную структуру. Электронный микроскоп позволяет получать изображения замороженного белка под разными углами, и фотографии можно комбинировать для создания 3D-моделей.
|
|
|
|
Метод микроскопии позволил более детально изучить ключевые процессы, такие как "сборочные линии" ферментов, которые изучает Чайтан Хосла, профессор химической инженерии и химии. По словам Хосла, эти группы белков могут производить антибиотики с ошеломляющей скоростью и избирательностью, что дает ключ к разгадке, потенциально полезной для производства лекарств.
|
|
|
|
Использование крио-ЭМ для осмотра сборочной линии по сравнению с другими методами было подобно разнице между посещением автомобильного завода в будний день и в выходные. "Когда вы видите, как сборочная линия на самом деле производит свой собственный автомобиль, - говорит он, - вы получаете гораздо более четкое представление о том, что нужно для создания автомобиля".
|
|
|
|
Тестирование свойств белка для понимания болезней и разработки методов лечения
|
|
|
|
Конечно, мы не можем узнать все о белках, просто наблюдая за ними. Исследователи также должны провести тесты, чтобы увидеть, как белки реагируют в определенных условиях, чтобы помочь ответить на вопросы об их роли в живых системах.
|
|
|
|
А для проведения тестов полезно иметь в своем распоряжении много белков. Джеймс Шварц, профессор химической инженерии и биоинженерии, является пионером в области бесклеточного синтеза белка. Исторически сложилось так, что ученые вводили ДНК целевого белка в кишечную палочку, используя бактерии для создания копий этого белка. Но этот процесс может быть медленным, и иногда не удается воспроизвести точную структуру белка.
|
|
|
|
При бесклеточном синтезе белка клетки разрываются на части при очень высоком давлении, что позволяет извлекать компоненты, такие как рибосомы, необходимые для производства белка. В этом случае клеточные источники энергии могут быть направлены исключительно на выработку белка. Бесклеточный подход также может привести к образованию определенных типов молекулярных связей, которые в противном случае было бы сложно создать.
|
|
|
|
Одно из применений, над которым работает Шварц, - это "вирусоподобные частицы" — белковые сборки в форме вируса с шипами и внутренней полостью, которые могут транспортировать материалы в нужное место. Однажды эти "вирусоподобные частицы" могут помочь в создании вакцин и лечении рака.
|
|
|
|
Компания Fordyce также разрабатывает платформы, которые увеличивают количество тестов, которые исследователи могут выполнять одновременно, за счет сокращения объема лабораторного оборудования. "Вместо того, чтобы использовать большой стакан или колбу, мы производим эти микрожидкостные устройства, которые имеют 1800 камер объемом в один нанолитр, что составляет миллионную долю миллилитра", - объясняет Фордайс, который также является научным сотрудником института химии Сарафана.
|
|
|
|
"Обычно мы производим 1000 или 2000 различных вариантов белка параллельно и систематически проверяем, как каждый из этих вариантов влияет на функцию".
|
|
|
|
Эти новые платформы позволяют исследователям ответить на некоторые важные вопросы о жизни. "Меня действительно интересует вопрос: как эти крошечные компоненты самостоятельно собираются без чьей-либо помощи в клетки, которые в 1000 раз больше, чем они есть на самом деле?" - говорит Данн.
|
|
|
|
В прошлом это могло показаться просто интересной идеей, но сегодня Данн может проверить ее на практике. В одном из проектов он прикрепляет микроскопические шарики к белкам сердечной мышцы. Затем он манипулирует шариками с помощью лазерного луча, чтобы увидеть, как реагируют белки. Его исследование показывает, как белки ощущают свое окружение с помощью сил притяжения, что позволяет по-новому взглянуть на здоровье сердца на молекулярном уровне.
|
|
Модификация белков с помощью полезных мутаций
|
|
|
|
В дополнение к наблюдению за существующими белками, некоторые исследователи хотят выявить белковые мутации, которые оптимизируют определенные функции. Часто они делают это, начиная с белка, который уже выполняет часть интересующих их функций, а затем изменяют его аминокислотную цепочку, повышая или понижая эту активность.
|
|
|
|
К сожалению, случайный перебор возможных вариантов белка может быть подобен поиску иголки в стоге сена, говорит профессор биоинженерии Дженнифер Кокран. Производство и тестирование тысяч или даже миллионов вариантов является дорогостоящим и громоздким процессом.
|
|
|
|
Кокран и ее коллеги разработали методы анализа, которые позволяют быстро проанализировать миллионы белков, отобрав наиболее перспективные из них. Например, в этих исследованиях можно использовать молекулярную приманку, которая выделяет белки с аминокислотами, которые придают им измененную активность, чтобы точно определить, какие белки заслуживают дальнейшего изучения.
|
|
|
|
Другой подход - компьютерная модель, которая использует машинное обучение для выявления полезных мутаций в белках. Исследователи из Стэнфорда обучили модель с помощью игр с заполнением пробелов, объясняет Хи. Его команда оставляла несколько пробелов в известных белковых последовательностях и просила модель ввести правильную аминокислоту. Благодаря миллионам повторений на практике модель становилась все лучше и лучше в предсказании правильных ответов.
|
|
|
|
В недавней статье, опубликованной в журнале Science, они сообщили, что модель лучше помогает выявлять полезные мутации для антител, чем случайное предположение. "Вместо того, чтобы тестировать миллион мутаций на каждом этапе эволюции, - сказал он, - мы просто протестировали от 10 до 30".
|
|
Потенциал белков для улучшения здоровья и окружающей среды
|
|
|
|
Быстрое выявление полезных мутаций может способствовать развитию индустрии белковой терапии. Белки могут доставлять лекарства в определенное место или сами выступать в качестве лекарств, связываясь с клеткой-мишенью и изменяя ее активность.
|
|
|
|
"Если я смогу расщепить этот белок или повысить его активность с помощью различных технических приемов, я смогу принести клинически значимую пользу пациенту", - говорит Хосла. Одно из направлений его исследований сосредоточено на получении белка, который отвечает за иммунную реакцию на глютен при целиакии.
|
|
|
|
В своей работе команда Hie сосредоточилась на прекращении лечения антителами к SARS-CoV-2. Хотя лечение было эффективным у пациентов в течение пары месяцев, вирус вскоре развился настолько, что перестал поддаваться лечению, что вынудило FDA прекратить лечение. В своей работе команда ученых выявила мутации антител, которые могут связываться с более поздними штаммами вируса, что открывает путь к тому, чтобы лечение антителами стало более чувствительным к изменению мишеней для патогенов.
|
|
|
|
Белки также представляют интерес в онкологии. Кокран разработала белки, которые прочно связываются с молекулами, сигнализирующими о росте опухолей, и тем самым блокируют их передачу. Инженерные белки, разработанные Кокран и ее командой, также помечают опухоли как захватчиков, заставляя иммунную систему атаковать рак. Она обнаружила, что эти модифицированные белки убивают раковые клетки и подавляют прогрессирование опухоли у лабораторных мышей, и в настоящее время лечение продвигается к клиническому освоению у людей.
|
|
|
|
Другой исследователь, Элизабет Сэттли, черпает вдохновение у химиков, изучающих природу. Сэттли, доцент кафедры химической инженерии, изучает, как растения используют "фабрики" ферментов для создания множества химических веществ. "Эти ферментативные катализаторы могут проводить реакции, которые действительно трудно провести человеку с помощью химического синтеза".
|
|
|
|
Определив ферменты, ответственные за производство целевого химического вещества, она надеется, что сможет воспроизвести этот процесс более экономичным способом, например, путем генетической модификации дрожжевых клеток с помощью этих ферментов. В одном исследовании, опубликованном в журнале Science, она продемонстрировала, что химиотерапевтический препарат, обнаруженный в гималайском растении, можно получить из широко доступного растения, закодировав его генами этой ферментной фабрики.
|
|
|
|
Исследования в области белков могут найти применение не только в медицине. Разработанные ферменты могут быть использованы для разложения пластика, что позволит решить проблемы отходов, такие как Тихоокеанский мусорный полигон, говорит Фордайс. Ферменты также могут быть использованы для синтеза химических веществ, что сокращает энергоемкость производства, и биотоплива, приближая нас к углеродно-нейтральному будущему.
|
|
|
|
По мере роста интереса к исследованиям и коммерции возможности для получения белков становятся практически безграничными. "Сейчас действительно захватывающее время для этой отрасли", - говорит Фордайс.
|
|
|
|
Источник
|
