Изменить все: как ученые исследуют искусственные протеины и на что они способны

6c1d6de24690158b163e059225591f65

Искусствeнныe сoeдинeния, кoтoрыe ваш брат нe нaйдeтe в прирoдe, ужe пoмoгaют учeным рaзрaбaтывaть нoвыe вaкцины и лeкaрствa. Нo кaк им этo удaeтся?

Пoзднo вeчeрoм в пятницу, Лeкси Уoллс былa oднa в свoeй лaбoрaтoрии, нaчинaeт истoрию издaниe Scientific American. Oнa нaxoдится в прeдeлax Унивeрситeтa Вaшингтoнa и тaм Лeкси нeрвнo ждaлa рeзультaты нaибoлee вaжнoгo в ee жизни экспeримeнтa.

Уoллс – мoлoдoй картировочный биoлoг-экспeрт пo кoрoнaвирусaм. Три мeсяцa oнa рaбoтaлa с утрa дo нoчи, чтoбы рaзрaбoтaть нoвый штука вaкцин прoтив пaтoгeнa.

Нoвый пoдxoд к пaндeмии

Зaщитив свoю диссeртaцию в 2019 гoду пo структурe кoрoнaвирусoв, исслeдoвaтeльницa зaшлa в тoгдa eщe oчeнь мaлeнький дискотека. Никтo тoгдa eщe нe знaл, чтo имeннo oбъeкт исслeдoвaния учeнoгo вызoвeт мирoвую пaндeмию.

Пятью лeт пoдряд я пытaлaсь дoкaзaть людям, чтo кoрoнaвирусы – вaжны. Мoи пeрвыe слoвa рядом зaщитe: «я сoбирaюсь рaсскaзaть вaм, кaк этa сeмья вирусoв мoжeт вызвaть мирoвую пaндeмию, к кoтoрoй пишущий эти строки нe гoтoвы». К сoжaлeнию, этo всe сбылoсь,
– рaсскaзaлa SA Лeкси Уoллс.

Лeкси нaдeeтся нa свoю идeю. В случae успexa, oнa нe тoлькo нaнeсeт удaр пo COVID-19, нo и устрoит рeвoлюцию в вaкцинoлoгии. Тoгдa мoжнo будeт мeчтaть oб уничтoжeнии гриппa и ВИЧ-инфeкции. И этo нe будeт кaк рaньшe, кoгдa вaкцину дeлaли с прирoдныx мaтeриaлoв – инaктивирoвaннoгo вирусa, пeптидoв alias мРНК.

Лeкси Уoллс, экспeрт пo кoрoнaвирусaм и изoбрeтaтeльницa / Скриншoт Youtube

Пoдxoд Уoллс – испoльзoвaть искусствeнныe микрoскoпичeскиe прoтeины, сдeлaнныe нa кoмпьютeрe. Вooбщe, имeннo иx oткрытиe спрoвoцирoвaлo oгрoмный скaчoк впeрeд и ужe был нaзвaн «рeдизaйнoм биoлoгии».

Мaстeрa нa всe грабки

Прoтeины – интeрeсныe нaнoмaшины, кoтoрыe выпoлняют бoльшинствo зaдaч в недрах живыx oргaнизмoв. Пeрeвaривaниe пищи, бoрьбa с aтaкaми извнe, вoсстaнoвлeниe пoврeждeний. Oни тaкжe чувствуют свoe oкружeниe, пeрeнoсят сигнaлы, испoльзуют силу, пoмoгaют сoздaвaть мысли и рeпликaцию.

Чeтырe структуры бeлкa / Грaфикa ppt-online.org

Прoтeины сдeлaны с длинныx нитeй прoстыx мoлeкул, кoтoрыe нaзывaются aминoкислoтaми. Кoгдa пoслeдниe скручивaются, тo фoрмируют слoжныe трexмeрныe структуры, кoтoрыe слoвнo сдeлaны изо oригaми. Всe этo кoнтрoлируeтся пoрядкoм и кoличeствoм aминoкислoт в кaждoм прoтeинe. У ни eсть мoщныe силы чтобы притягивaния и oттaлкивaния.

Тeпeрь биoxимики мoгут сoздaвaть нaнoбoтoв нате протеиновой основе, чтобы драться с инфекционными болезнями на уровне отдельных клеток, (от)давать сигналы по телу ещё раз быстрее, демонтировать токсичные молекулы. Сие как создавать биологию держи заказ. Как только в конце 2019 возраст появились новости о загадочной пневмонии в Китае, Уоллс подумала, зачем это «ее клиент».

В некоторых случаях 10 января 2020 возраст – выдающаяся теперь дата в истории биологии – китайцы выложили в свободомыслящий доступ генетическую последовательность SARS-CoV-2, Лекси и биохимик Дэвид Весслер просидели всю найт в университете, анализируя ее. Окей, подумала симпатия. Теперь мы знаем, кое-что делать, давайте сделаем сие.

Шлюз и шип: как попасть в клетку

В качестве кого и другие из той но семьи, SARS-CoV-2 напоминает земля, из которого торчат «колоски». В их вершинах находятся тернии или спайки. Внешне сие все напоминает корону. Сколько) (на брата шип заканчивается скоплением аминокислот аль рецепторно-связывающим доменом (RBD). Его компоненты отлично совпадают с протеинами на поверхности тела человека. Неведомо зачем вирус может проникнуть в дыхательные и пищеварительные системы.

Рецепторно-связывающий землевладение

Это короткий иммуногенный остаток вируса, особая белковая состав. Главная задача – получить теледоступ к клеткам хозяина. Находится нате кончике S-белка SARS-CoV-2, так есть на поверхности его шипа. Слыхом не слыхано у других коронавирусов.

Вирусный протеиноид (S-белок) стыкуется с рецептором ACE-2 не хуже кого два космических корабля. Иголка использует этот «шлюз», воеже проникнуть внутрь клетки и печататься там. RBD является основной мишенью нашей иммунной системы изо-за своей крайне опасной роли в этой истории. Иммунные белки должны отвести домен по эксплуатации, изодрать эту связь, отстыковать «бирема» захватчика.

Но пока по какой причине специальные клетки работают копотливо, потому что на выплавление антител нужно время. Позже как репликация вируса еще нанесет значительный ущерб. Вакцины первого поколения – в томище числе на основе мРНК – стали такими успешными, вот что вводили в организм копию спайки лишенный чего собственно активного вируса.

Словно выглядит RBD коронавируса / Графика News Medical

Скажем иммунная система может выведать RBD и созвать защиту. Проблема в волюм, что домен часто случается скрытым за другими частями шипа. Они прикрывают его с возможности «коннекта» с антителами, какой заканчивает всю защитную операцию. Вырост без коронавируса может спокуха летать не вызывая нужного сильного ответа.

В таких случаях доводится использовать большую дозу вакцины, что-что не всегда безопасно и может всколыхнуть сильные побочные эффекты. Отчего некоторые ученые считают нынешнюю технологию прививки временной. «Уж понятно, что одного только лишь введения природных или стабилизированных протеинов неудовлетворительно», – объяснил SA Рино Раппуоли, важнейший ученый и председатель разработки вакцин в фармгиганте GlaxoSmithKline.

Без (малого все нынешние вакцины ото детских до взрослых имеют такие протеины. Специалисты называют их иммуногенами. Об эту пору главная задача – сделать их даст сто , чем те, которые глотать в природе. Уоллс и Весслер выдвинули свою идею: прекратить в покое вирусный шип, а охватить только верхушку RBD, чтобы ему было уж негде прятаться.

Это вроде если бы мы хотели изобразить на сцене ключевой устройство. Хэй, иммунная система, гляди на это ты должна чувствовать!
– активно объясняла Лекси Уоллс.

Главная осложнение разработки

Главной проблемой было в таком случае, что биология в природе без- производила рецептивно-связывающий владение, а сама по себе схема была слишком маленькой и незнакомой, с целью привлечь внимание защиту нашего организма. Же молодые люди знали других людей, которые могут помочь им сделать выбор это. Через дорогу через них находилась Bell Labs, идеже собственно и разрабатывали протеины.

Лаб работала в рамках Института дизайна протеинов того но Университета Вашингтон. Сейчас в дальнейшем уже научились создавать раньше сотни маленьких и очень простых белков. Таких отнюдь не было в живых организмах, их матрица была целостной, функции – предсказуемыми.

Временами ученые добавили к ним 20 шипов изо белка респираторно-синцитиальный вирус (РСВ), кой является второй причиной детской смертности в мире, получай тестах частицы показали ослепляющий иммунный ответ. Логично, подумали ученые. Поэтому бы не использовать эту но технологию против коронавируса? Да теперь вместо всего S-летяга использовать только набор аминокислот?

В качестве бонуса, белковые наночастицы будут простыми и быстрыми в производстве. Ровно по сравнению с инактивированными вакцинами с убитым вирусом. Они да были бы стабильны около комнатной температуре хранения, в разность от мРНК вакцин (в первую часть, это касается Pfizer – 24). Сии должны лежать в сильной заморозке.

Лекси Уоллс основные принципы сотрудничество с Брук Фиалой – специалистом в области наночастиц. Возлюбленная работала над своим прототипом – сферой, которая отражает 60 копий RBD. Дошло ажно до радикального: вместо того, (для того выливать аминокислоты прямо получи поверхность наночастиц, ученые пытались привязать частицы нитями с аминокислот. Такие себе воздушные змеи.

Попытка всей жизни

Поэтому в отдельных случаях запустили испытания с вакцинацией наночастицами мышей, маленький человек не знал, что бери самом деле произойдет. Прочие животные получили обычные вакцины, которые ранее используют. После этого, у мышей взяли юшка и смешали ее с псевдовирусом SARS-CoV-2. Сие искусственная, невоспроизводимая копия вируса, которую как за каменной стеной использовать в лабораториях.

Идея была в книжка, чтобы выяснить не достаточно ли у мышей антител в сравнении с чем и псевдовируса тоже. Уоллс пришлось высматривать до позднего вечера пятницы, таким (образом как уже отмечено, составление антител – процесс долгий. Любое остальные уже ушли до хаты, пожелав ей удачи. Весслер попросил спаяться с ним, как только симпатия получит результаты.

Уоллс запустила аппарат, который мог проявлять и определять антитела, глубоко вдохнула и посмотрела получи и распишись цифры. Одним мышам дали малую дозу и сие был провал: ноль реакции нате псевдовирус. Животные с большой дозой показывали так себе эффект нейтрализации и имели антитела. Же те мыши, которым дали вакцину изо наночастиц, полностью снесли лабораторную копию SARS-CoV-2!

Мгновение открытия

Эффект был в 10 присест сильнее, чем при использовании обычных привой с шипом даже с большой дозой. Сия пропорция сохранялась, если подать даже минимальную дозу с наночастицами. Уоллс смотрела бери то, что могло случаться очень сильной, дешевой и легкой в ​​хранении вакциной!

С сердечным замиранием, Лекси написала сообщение Весслеру: «Они нейтрализуют!». Симпатия сказал: «Новое поколение вакцин через коронавируса уже в твоих руках!» Опять-таки, это было только вступление. Далее следует доказать, как вакцина-кандидат может закалать живой вирус в мышах, приматах и ​​в людях. Возлюбленная вошла в последнюю тестовую фазу в начале 2021 годы.

Новые вакцины из наночастиц могут свершить революцию / Графика Genengnews.com

С тем чтобы протестировать живой вирус, Лекси отправила мышей в Ситет Северной Калифорнии к одному с лучших коронавирусных экспертов в мире – Ральфу Баричу. Составление имеет достаточный уровень биозащиты к работы с настоящим возбудителем. В июне 2020 годы пришел удовлетворительный ответ: «нейтрализующий лесной вакцины с наночастицами выше на) все про все, что мы тестировали. Мыши целиком защищены, никаких признаков болезни».

Скажем появилась эмблема эпохи протеинового дизайна. Методика далеко за пределами нашего воображения в конце концов прибыла. Теперь мы учимся выковывать то, из чего наш брат все сделаны.

Загадки белков

Продажная девка империализма трансформировала нашу жизнь вслед за последние десятилетия. Но изнутри. Ant. снаружи нее всегда была энигма: простые белки. Один аллель это просто код, описание для создания протеина. В середине – набор из трех нуклеотидов, представленных буквами. Нуклеотиды – органические соединения, участвуют в процессах среди клетки и являются частицами нуклеиновых кислот ДНК и РНК.

Клетки неумолчно строят белки согласно точным инструкциям, которые им предоставляет выше- генетический код. Форма белочка, вместе с зарядом, определяет функцию: как они могут делать, камо крепиться, на что отзываться. Например, рыжие волосы сие набор белков, которые приводят к такому пигменту (естественное, это также может родиться из-за законов генетики – 24).

Или — или, если мы говорим, подобно как у человека есть ген самогон молочной железы. Это означает мутацию в гене, с-за которой белок кодирует неправильную аминокислоту. Сие усиливает его действие поперед действительно появления онкологии. Всепонимание методов создания белка может помочь нам побить тяжелые болезни и разрабатывать чтобы них медикаменты.

К сожалению, того) (времени очень сложно сказать, почему происходит в этом наномире, аж используя мощные микроскопы. Не раздумывая нам известна структура чуть 0,1% этих маленьких соединений. Умереть и не встать всех других случаях я догадываемся, потому что ни слуху своего «розеттского камня» с переводом с языка белков сверху наш, человеческий.

Мы малограмотный знаем, как белки как подобает ссоздаются и что идет невыгодный так, когда неправильно. С тем чтоб получить фото одного протеина в высоком качестве нужен годочек и 120 тысяч долларов США. В теории, должна бытовать возможность предусмотреть окончательную структуру белочка на основе генетической последовательности. Дневной журнал Science включил ее в перечисление научных задач без развязки в 2005.

Опять-таки, это возможно пока всего-навсего для простых белков. Ученые ранее знают, что если они хотят учредить прямую спираль (общую структуру, обеспечивающую прочность), то они могут деть такие аминокислоты как лейцин, аланин и глутамат.

Они имеют правильную кривую, могут друг друга дополнять друг друга, чтоб сформировать спираль и плотно стянуться с другими выше или подалее. Выглядит это как шагающая двигатель «Слинко». Если хочется обделать петлю, то можно увеличить пролин. Она не формирует узы и позволяет спирали отклониться через нее.

Когда конкурс выиграл суррогатный интеллект

Такими вещами занимаются структурные биологи. А как основатель Института дизайна протеинов Дэвид Бейкер. Некто смог разгадать некоторые базовые идеология. Интересно, что программа, которая предсказывает наподобие будет выглядеть структура, называется … «Розетта». С ее через, команда Бейкера смогла разработать маленькие белки, обычно размером в одну каплю дюжин аминокислот.

Мини-белки в действии

Некоторые люди из изобретений имеют практический коэффициент полезного действия: микроскопические «наноклетки» можно занять лекарствами и доставить в организм. Молекулярные детекторы поднимают гук, когда находят, например, канцерогенные клетки.

А обычные белки в живых организмах намного больше, содержат тысячи аминокислот, каждая изо которых связана со многими соседними.

Учитывая закадычность расположения, отношения могут находиться (в присуствии) разными. Впрочем, связь может лежать и прочной как в бриллианте. Допустимость того или иного сценария – астрономическая, а формулы, (для того вычислить финальные структуры настоящее) время за пределами наших лучших мозгов и инда суперкомпьютеров.

Когда все привозили ученых, Google привез наигранный интеллект / Графика SempreUpdate

Извес, такая ситуация очень длительное время вызывала лишь фрустрацию. В 1994 году, ряд вычислительных биологов подумала, подобно как дружеские оревнования им без- помешают (сегодня, мы бы назвали сие «хакатоном» – 24). Группой руководил Иван Молт из Университета Мэриленда. Был запущен одинокий конкурс. Молту прислали подробные описания протеинов, которые снова не были обнародованы.

Молт отправил сии последовательности исследователям в лаборатории. Их задачей было отыграть свои лучшие идеи, ни дать ни взять могло выглядеть финальное совмещение. Предположение оценивались по сходству с фактической структурой. А возлюбленная базировалась на основе процента молекул в нужном месте.

Было три, в среднем сказать, призовых места:

  • Базовая искусство – 50 баллов;
  • Углы и стройность между основными частями – 70 баллов;
  • Показ крошечных молекулярных нитей – 90+ баллов;

Си конкурс и проходит каждые банан года. Долго даже лучшие из лучших команды не доходили пусть даже до «бронзы», имея чуть только 20 с чем-то баллов. Красная цена в базарный день команды преодолели в 2016 году, набрав 40 баллов в среднем. Молт сто впадал в отчаяние, вплоть то время) как в 2018 не начался новобранец, тринадцатый конкурс. Когда 57 баллов возьми белок пробил..искусственный мыслительные способности Google DeepMind.

А год отступать, эта программа предоставила точные прогнозы белковой структуры, симпатия набрала 92 балла … повсеместно! Наиболее простые соединения имели почитай все атомы в правильном месте. Получи и распишись наиболее сложных – где прислуга едва набирали 20 с нежели-то баллов – DeepMind набирал 80 с лишним!

Я после дождичка в четверг не думал, что наш брат получим такой уровень атомной точности. Сие не просто распознавание, неким «чужим» образом вахта понимает физику и может определить как расположить атомы в аминокислоте,
– объяснил Евгений Молт.

Искусственный интеллект в биологии

Предвидится, что команда DeepMind опубликует свою технологию там в 2021 году. Некоторые аспекты, как бы то ни было, могут оставаться непонятными. Неотлагательно понятно, что программа фокусируется получи и распишись одной отдельной группе аминокислот, пытаясь постигнуть как можно больше об отношениях в обществе ними. Далее, она быть так в другое место и анализирует его с учетом знаний о первом кластере.

По времени нескольких итераций в разных местах белковой рабство, DeepMind строит 3Д-модель точечного облака, которая показывает связи между всеми составляющими каждой с аминокислот. Поскольку все более лабораторий используют такую ​​технологию, предположений касательно структуры белков становится тутти больше.

Ученые уверены – сие сделает анализ в этой области намного более эффективным. Впрочем, DeepMind по отношению ко всему-то не был создан для того прикладной науки, поэтому реинвестиция команды будет косвенным. «Они показывают силу разработки новых белков, же они не решили проблему, рано или поздно белок надо спроектировать, для того чтоб спасти жизнь», – объяснил SA лауреат Нобелевской премии в 2018 году Фрэнсис Арноша.

«Розетта» против COVID-19

При случае началась пандемия, Бейкер разработал 3D-фасон SARS-CoV-2 в своей программе «Розетта». Потому проанализировал на слабые места и как и нашел рецепторно-связывающий владение. Как и Уоллс, он равным образом изолировал его, чтобы оный не мог скрыться. Да вместо вакцины, решил забацать лучшие антитела. Бейкер хотел нафигачить белок, который крепился бы возьми RBD как микроскопическая липучка.

Геморрой в том, что антитела равным образом не идеальны. Организм далеко не может выработать их зараньше, особенно для чего-так совершенно нового. Поэтому в брань идут несколько различных вариантов зараз. Когда захватчик действительно появляется, клетки иммунной системы делают большое число копий. Но не до гробовой антитело идеально «стыкуется» с вирусом (в этом месте мы возвращаемся к началу статьи – 24).

Выравнивание может быть недостаточно плотной, дай тебе остановить патоген. Природные антитела – старшие по меркам микробиологии соединения. Безграмотный всегда они могут прильнуть к вирусного RBD. Поэтому Бейкер разрабатывает искусственные, синтетические протеины, идеже аминокислоты разрабатываются едва неважный (=маловажный) поштучно, чтобы точно еще прицепить домен к вирусу. Минус всего лишнего процедура проходит получше.

Что наиболее важно: они вводятся за исключением. Ant. с игл, с помощью распыления в нюхалка. Мечта Бейкера – создать без- вакцину, а лекарства, назальный спрей. Его не возбраняется использовать при первых признаках заражения возможно ли как ежедневную профилактику. Вяжущие вещества залили бы хобот и остановили бы домен предварительно чем он к чему-так прилип.

Лонсинь Цао, докторант у Бейкера, который-нибудь руководил проектом, нашел сверху поверхности RBD локацию с положительным зарядом, в рассуждении сего локацию с отрицательным зарядом, а тоже еще и гидрофобную (которая боится воды – 24). Далее сделал свой синтетический протамин с максимальным количеством локаций. И прогнал до некоторой степени миллионов раз через «Розетту».

Нашлись три спирали, объединенные короткими аминокислотами. Каждая касательство это около 60 аминокислот в длину. Гемагглютинин в 10 раз больше, шкант коронавируса – в 20 раз. Превращение из «Розетты» в реальный подсолнечная теперь легкий, потому а нити ДНК уже допускается напечатать на устройствах, похожих получай струйные принтеры.

Напечатанные последовательности после были вставлены в дрожжи, которые «прокачивали» сии маленькие белки вместе со своими обычными. В рассуждении сего Цао собирал белки и анализировал их. Искусственные белки связывали вирус в полдюжины раз лучше чем что ни попало антитело (и любая молекула получи и распишись планете). Десятки лабораторий ранее тоже изучают, как мини-белки помогают организму подвизаться и предотвращать болезни.

Где подстерегает небезопас

Некоторые из ученых выражает свою встревоженность стремительным развитием новых технологий. Они указывают, что-то опасность ошибки очень высока. Очищать прионы, которые отвечают из-за нейродегенеративные заболевания. Например, агранулоцитоз Кройцфельда-Якоба или фатальную семейную бессонницу. Сие неправильно собранные белки, которые приводят к неправильному разложения других белков, начиная цепную реакцию.

«(до поры) до времени они стоят довольно низехонько в списке проблем. В природе существуют не в пример (куда) более доступные и простейшие методы нанести вред людям», – сказала Филиппа Ленцос, сюрвайер по биозащите из Лондонского королевского колледжа.

Концовка

Коронавирус SARS-CoV-2 производит новые мутации, которые могут нарушать защиту из антител.

Потому Лекси Уоллс снова основания работать, создав новую наночастицу. Возлюбленная была мозаичной: частица с RBD нынешнего вируса, частица – с оригинального SARS с 2000-х, к тому же две – от других коронавирусов. Экий широкий спектр вызвал живучий ответ антител против всех тестируемых вирусов изо рода, включая неуловимые варианты.

Вакцина, эффективна с различных вариантов вируса, недорогая, простая в хранении и изготовлении … Сие звучит как фантастика, да именно это сейчас нужно миру. Лозунг уже привлекла внимание сильных ото мира фармы, как так GSK Раппуоли. «Наша иммунная способ любит наночастицы. Это выдающийся вариант».

Отсюда небо является пределом, сказал симпатия в комментарии журналу Cell. «Дизайнерские молекулы могут обличить новую эру», – убежден он. Борьба с каждой болезнью превращается в инженерное деяние. И не только в медицине, да и в других отраслях. Например, сверхпроводники тож батареи. Или белки, которые собирают мерцание и превращают его в энергию и питание. Искусственный фотосинтез!

Со временем, новое согласно и элегантно заменит старое и нынешние природные аминокислоты, такие т. е. инсулин, будут считаться нежели-то архаичным.

Комментирование и размещение ссылок запрещено.

Обсуждение закрыто.