การทำนายลำดับจากโครงสร้าง

วิธีหนึ่งในการตรวจสอบระบบทางชีววิทยาที่ซับซ้อนคือการปิดกั้นส่วนประกอบต่างๆ ไม่ให้โต้ตอบและดูว่าเกิดอะไรขึ้น. วิธีนี้ช่วยให้นักวิจัยเข้าใจกระบวนการและการทำงานของเซลล์ได้ดีขึ้น, เพิ่มการทดลองในห้องปฏิบัติการทุกวัน, การตรวจวินิจฉัย, และการแทรกแซงการรักษา. ผลที่ตามมา, รีเอเจนต์ที่ขัดขวางปฏิกิริยาระหว่างโปรตีนนั้นเป็นที่ต้องการสูง. แต่ก่อนที่นักวิทยาศาสตร์จะสามารถสร้างโมเลกุลที่กำหนดเองของตนเองได้อย่างรวดเร็วซึ่งสามารถทำเช่นนั้นได้, พวกเขาจะต้องแยกวิเคราะห์ความสัมพันธ์ที่ซับซ้อนระหว่างลำดับและโครงสร้างก่อน.

ส่วนต่อประสานระหว่างเปปไทด์กับเป้าหมายโปรตีน Bcl-2 ประกอบด้วยลวดลายโครงสร้างทั่วไปที่เรียกว่า TERM. ภาพ: เซบาสเตียน สวอนสัน และ เอวี ซิงเกอร์

โมเลกุลขนาดเล็กสามารถเข้าสู่เซลล์ได้ง่าย, แต่ส่วนต่อประสานที่โปรตีนสองตัวจับกันมักจะใหญ่เกินไปหรือขาดช่องว่างเล็ก ๆ ที่จำเป็นสำหรับโมเลกุลเหล่านี้ในการกำหนดเป้าหมาย. แอนติบอดีและนาโนบอดีจับกับโปรตีนที่ยืดยาวขึ้น, ซึ่งทำให้เหมาะที่จะขัดขวางปฏิกิริยาระหว่างโปรตีนและโปรตีนมากขึ้น, แต่ขนาดที่ใหญ่และโครงสร้างที่ซับซ้อนทำให้ยากต่อการถ่ายทอดและไม่เสถียรในไซโตพลาสซึม. ตรงกันข้าม, กรดอะมิโนที่ยืดยาว, เรียกว่าเปปไทด์, มีขนาดใหญ่พอที่จะจับโปรตีนที่ยืดยาวได้ในขณะที่ยังมีขนาดเล็กพอที่จะเข้าสู่เซลล์ได้.

ห้องปฏิบัติการ Keating ที่ MIT Department of Biology กำลังทำงานอย่างหนักเพื่อพัฒนาวิธีการออกแบบเปปไทด์อย่างรวดเร็วซึ่งสามารถขัดขวางปฏิสัมพันธ์ระหว่างโปรตีนและโปรตีนที่เกี่ยวข้องกับโปรตีน Bcl-2, ซึ่งส่งเสริมการเติบโตของมะเร็ง. วิธีการล่าสุดของพวกเขาใช้โปรแกรมคอมพิวเตอร์ที่เรียกว่า dTERMen, พัฒนาโดยศิษย์เก่า Keating Lab, ปริญญาเอก Gevorg Grigoryan '07, ปัจจุบันเป็นรองศาสตราจารย์ด้านวิทยาการคอมพิวเตอร์และเป็นรองศาสตราจารย์ด้านวิทยาศาสตร์ชีวภาพและเคมีที่วิทยาลัยดาร์ตมัธ. นักวิจัยเพียงแค่ป้อนโปรแกรมตามโครงสร้างที่ต้องการ, และแยกลำดับกรดอะมิโนสำหรับเปปไทด์ที่สามารถรบกวนปฏิกิริยาระหว่างโปรตีนและโปรตีนจำเพาะได้.

“มันเป็นวิธีที่ง่ายมากที่จะใช้,"คีทติ้งกล่าว, ศาสตราจารย์ด้านชีววิทยาของ MIT และผู้เขียนอาวุโสในการศึกษานี้. “ในทางทฤษฎี, คุณสามารถใส่โครงสร้างอะไรก็ได้แล้วแก้หาลำดับได้. ในการศึกษาของเรา, โปรแกรมมาพร้อมกับชุดลำดับใหม่ที่ไม่เหมือนกับสิ่งที่พบในธรรมชาติ - มันอนุมานวิธีการแก้ปัญหาที่ไม่เหมือนใครโดยสิ้นเชิง. มันน่าตื่นเต้นที่ได้ค้นพบดินแดนใหม่ของจักรวาลซีเควนซ์”

อดีต postdoc Vincent Frappier และ Justin Jenson PhD '18 เป็นผู้เขียนร่วมคนแรกในการศึกษานี้, ซึ่งปรากฏในฉบับล่าสุดของ โครงสร้าง.

ปัญหาเดียวกัน, แนวทางที่แตกต่าง

เจนสัน, สำหรับส่วนของเขา, ได้จัดการกับความท้าทายในการออกแบบเปปไทด์ที่จับกับโปรตีน Bcl-2 โดยใช้แนวทางที่แตกต่างกันสามวิธี. วิธีการที่ใช้ dTERMen, เขาพูดว่า, เป็นระบบที่มีประสิทธิภาพและเป็นแบบทั่วไปที่สุดเท่าที่เขาเคยลองใช้มา.

วิธีการมาตรฐานในการค้นหาสารยับยั้งเปปไทด์มักเกี่ยวข้องกับการสร้างแบบจำลองโมเลกุลทั้งหมดจนถึงฟิสิกส์และเคมีที่อยู่เบื้องหลังแต่ละอะตอมและแรงของพวกมัน. วิธีการอื่นๆ ต้องใช้การคัดกรองที่ใช้เวลานานเพื่อให้ได้ตัวเลือกที่มีผลผูกพันที่ดีที่สุด. ในทั้งสองกรณี, กระบวนการนี้ยุ่งยากและอัตราความสำเร็จต่ำ.

ดีเทอร์เม็น, ตรงกันข้าม, ไม่จำเป็นต้องมีการตรวจคัดกรองทางฟิสิกส์หรือการทดลอง, และใช้ประโยชน์จากหน่วยทั่วไปของโครงสร้างโปรตีนที่รู้จัก, เช่น อัลฟ่าเอนริเก้และเส้นเบตา — เรียกว่าลวดลายโครงสร้างตติยภูมิหรือ “TERMs” ซึ่งรวบรวมไว้ในคอลเลกชันเช่น Protein Data Bank. dTERMen แยกองค์ประกอบโครงสร้างเหล่านี้ออกจากคลังข้อมูล และใช้เพื่อคำนวณว่าลำดับกรดอะมิโนใดที่สามารถนำมาใช้เป็นโครงสร้างที่สามารถจับและขัดขวางปฏิกิริยาระหว่างโปรตีนและโปรตีนจำเพาะได้. ใช้เวลาหนึ่งวันในการสร้างแบบจำลอง, และใช้เวลาเพียงไม่กี่วินาทีในการประเมินลำดับนับพันหรือออกแบบเปปไทด์ใหม่.

“dTERMen ช่วยให้เราสามารถค้นหาลำดับที่อาจมีคุณสมบัติในการยึดเกาะที่เรากำลังมองหา, ในความแข็งแกร่ง, มีประสิทธิภาพ, และลักษณะทั่วไปที่มีอัตราความสำเร็จสูง,” เจนสันกล่าว. “แนวทางในอดีตใช้เวลาหลายปี. แต่ใช้ dTERMen, เราเปลี่ยนจากโครงสร้างไปสู่การออกแบบที่ผ่านการตรวจสอบภายในเวลาไม่กี่สัปดาห์”

ของ 17 เปปไทด์ที่พวกเขาสร้างขึ้นโดยใช้ลำดับที่ออกแบบไว้, 15 ผูกพันกับความผูกพันแบบพื้นเมือง, ขัดขวางปฏิกิริยาระหว่างโปรตีนและโปรตีน Bcl-2 ที่ยากต่อการกำหนดเป้าหมายอย่างฉาวโฉ่. ในบางกรณี, การออกแบบของพวกเขาได้รับการคัดเลือกอย่างน่าประหลาดใจและเชื่อมโยงกับสมาชิกในครอบครัว Bcl-2 เพียงคนเดียวมากกว่าคนอื่นๆ. ลำดับที่ออกแบบนั้นเบี่ยงเบนไปจากลำดับที่รู้จักที่พบในธรรมชาติ, ซึ่งเพิ่มจำนวนเปปไทด์ที่เป็นไปได้อย่างมาก.

“วิธีนี้ทำให้มีความยืดหยุ่นในระดับหนึ่ง,” Frappier กล่าว. “dTERMen มีความแข็งแกร่งมากขึ้นต่อการเปลี่ยนแปลงโครงสร้าง, ซึ่งช่วยให้เราสามารถสำรวจโครงสร้างประเภทใหม่ๆ และเพิ่มความหลากหลายให้กับพอร์ตโฟลิโอของผู้สมัครที่อาจมีผลผูกพันได้”

สำรวจลำดับจักรวาล

เมื่อพิจารณาถึงประโยชน์ทางการรักษาของการยับยั้งการทำงานของ Bcl-2 และชะลอการเติบโตของเนื้องอก, ห้องปฏิบัติการ Keating ได้เริ่มขยายการคำนวณการออกแบบไปยังสมาชิกคนอื่นๆ ในกลุ่ม Bcl-2 แล้ว. พวกเขาตั้งใจที่จะพัฒนาโปรตีนใหม่ๆ ที่ใช้โครงสร้างที่ไม่เคยเห็นมาก่อนในที่สุด.

“ตอนนี้เราได้เห็นตัวอย่างโครงสร้างโปรตีนในท้องถิ่นต่างๆ มากพอแล้ว ซึ่งสามารถอนุมานแบบจำลองเชิงคำนวณของความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างลำดับและโครงสร้างได้โดยตรงจากข้อมูลโครงสร้าง, แทนที่จะต้องถูกค้นพบใหม่ทุกครั้งจากหลักการปฏิสัมพันธ์แบบอะตอมมิก,"กริกอเรียนกล่าว, ผู้สร้าง dTERMen. “เป็นเรื่องน่าตื่นเต้นอย่างยิ่งที่การอนุมานตามโครงสร้างดังกล่าวใช้งานได้และมีความแม่นยำเพียงพอที่จะทำให้เกิดการออกแบบโปรตีนที่แข็งแกร่งได้. โดยเป็นเครื่องมือพื้นฐานที่แตกต่างกันเพื่อช่วยจัดการกับปัญหาสำคัญของชีววิทยาเชิงโครงสร้าง ตั้งแต่การออกแบบโปรตีนไปจนถึงการทำนายโครงสร้าง”

Frappier หวังว่าสักวันหนึ่งจะสามารถคัดกรองโปรตีโอมของมนุษย์ทั้งหมดด้วยการคำนวณ, โดยใช้วิธีการเช่น dTERMen เพื่อสร้างเปปไทด์ที่มีผลผูกพันกับผู้สมัคร. Jenson แนะนำว่าการใช้ dTERMen ร่วมกับแนวทางดั้งเดิมในการออกแบบลำดับใหม่สามารถขยายเครื่องมือที่ทรงพลังอยู่แล้วได้, ช่วยให้นักวิจัยสามารถผลิตเปปไทด์เป้าหมายเหล่านี้ได้. วิธีเดียวที่จะทำให้ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์แสดงกิจกรรมที่สำคัญภายใต้สภาวะไฟฟ้าเคมีคือการใช้พลังงานขนาดใหญ่ในรูปของไฟฟ้าแรงสูง, เขาพูดว่า, วันหนึ่งการพัฒนาเปปไทด์ที่จับและยับยั้งโปรตีนที่คุณชื่นชอบอาจเป็นเรื่องง่ายเหมือนกับการรันโปรแกรมคอมพิวเตอร์, หรือตามปกติเช่นการออกแบบไพรเมอร์ DNA.

แหล่งที่มา: http://news.mit.edu, โดย ราลี แมคเอลเวรี