Дизайн белков de novo в борьбе с COVID и не только с ним
Представьте препарат, который может нейтрализовать SARS-CoV-2 лучше, чем это способны сделать самые активные из известных моноклональных антител против гликопротеина S. При этом препарат можно довольно долго (по крайней мере 2 недели) хранить при комнатной температуре. В отличие от моноклональных антител, его нейтрализующая активность малочувствительна к мутациям, изменяющим эпитопы, против которых направлены моноклональные антитела. И этот препарат, помимо традиционных путей введения, можно применять и в виде спрея и распыляемого порошка. Фантастика? Нет. Именно, такие белковые препараты и методика их создания описаны в статье недавно опубликованной в Science (оригинал статьи здесь: https://science.sciencemag.org/content/early/2020/09/08/science.abd9909)
Слово «дизайн» и его производные уже прочно вошли в русский язык. Но вот словосочетание «дизайн белков» (protein design), тем более с добавкой de novo, вряд ли знакомо широкой публике. Дизайном белков, в принципе, можно назвать многие манипуляции, которыми владеют молекулярные биологи (они же генные инженеры, биотехнологи и т.д.). Но вот коротенькое уточнение «de novo” (вольный перевод - с чистого листа) выводит эту тему на существенно более высокий уровень. Дизайн белков de novo это не модификация какого-то белка, созданного природой. Это конструирование, без «подсказок» природы, совершенно новых белков, обладающих какими-то заданными полезными свойствами.
Коротко о белках и их структуре. Те, кто это знают, этот абзац могут опустить. Белки это полимеры аминокислот. Аминокислот двадцать. В белке они связаны друг с другом однотипной связью (она называется «пептидной») наподобие бус, в которых бусинки 20-ти цветов и они не нанизаны на нить, а сцеплены друг с другом «крючочками». В каждом белке своя неповторимая последовательность «бусинок»-аминокислот. Это и есть «первичная структура белка» (часто говорят «аминокислотная последовательность» или amino acid sequence). Но в естественных условиях в виде линейной последовательности (незапутанных бус) белки не существуют. Каждая цепочка из аминокислот причудливым образом складывается, свёртывается, переплетается и образует уникальную 3-мерную структуру. В ней выделяют «вторичную, третичную и четвертичные» структуры. Эти тонкости сейчас нам не нужны. Главное это та уникальная, порой очень причудливая 3-мерная форма (её называют «конформацией»), которую, в конечном итоге, приобретает каждая достаточно длинная цепь из аминокислот. В 1973 году шведский биохимик, лауреат Нобелевской премии, Христиан Анфинсен сформулировал постулат, который называют «догмой Анфинсена» - конформация белка полностью определяется его первичной структурой. Иными словами, между первичной и структурой и конформацией белка и наоборот существует однозначное соответствие. Вообще-то известно исключение - тип белков (они называются прионами), которые, при одинаковой первичной структуре могут принимать разные конформации. Но оставим эту загадку в сторону. В контексте сегодняшнего поста важнее, что применимость догмы Анфинсена к подавляющему большинству белков под сомнение не ставится.
Для дизайна белков de novo ключевое значение имеет возможность теоретического предсказания конформации белка по заданной первичной структуре. Иными словами, это вычисление того, в какую 3-мерную структуру сложатся бусы с известной последовательностью бусинок-аминокислот. Поскольку постулируется, что соответствие первичной структуры и конформации однозначно, должен быть возможен и обратный процесс - определение первичной структуры по известной конформации. Казалось бы, при нынешних вычислительных возможностях компьютеров, «искусственного интеллекта», ну и, конечно, вложенном в в эту работу «естественном интеллекте», эти задачиа давно должна была быть решены. Но нет. Хотя прогресс достигнут впечатляющий, точное, чисто теоретическое, определение конформации белка по его первичной структуре пока невозможно.
Так что же удалось автором этой статьи? Они действительно теоретически «сконструировали» короткие белки, способные нейтрализовать SARS-CoV-2 in vitro, и у этих белков нет аналогов в природе. Их структура была выбрана без «подсказок природы», не считая данных о первичной структуре и конформации гликопротеина S. Но дизайном de novo в чистом виде, пока это назвать нельзя. Теоретическое предсказание позволило лишь выйти на перспективные варианты. Их было довольно много. А конечные препараты (их всего три) отобраны из этих вариантов традиционными «естественными» способами (по максимально сильному связыванию с гликопротеином S, термостабильности и другим). Эти препараты (минибелки длиной 50-60 аминокислот; обычно их называют пептидами) авторы назвали “minibinders” (дословно - «минисвязыватели»). На русском это не звучит. Я пытался придумать броский и, в то же время точный, русский эквивалент. Не получилось. Может кто-то из читателей предложит...
У дизайна белков de novo блестящие перспективы. Воображение рисует искусственные белки с «наборами» требуемых свойств. Скажем, вакцины против нескольких возбудителей, в которых всё необходимое для протективных иммунных ответов собрано в одном белке. Много чего можно нафантазировать...
Но возвращаясь к уже существующим minibinders. Что теперь? Бежим в клинику с их помошью спасать больных? В таких вещах спешить надо медленно. Никаких данных о том, что произойдёт in vivo, пока нет. Правда, это относится к minibinders против SARS-CoV-2. Аналогичные препараты против вируса гриппа А, сделанные той же группой, в опытах на животных сработали, причём, как в профилактическом, так и в терапевтическом варианте применения. Но это только начало. Предстоит огромная и длительная работа по доклиническим, а потом, если всё пойдёт хорошо, и клиническим испытаниям minibinders. Авторы этой работы сделали анти-SARS-CoV-2 minibinders за несколько месяцев. По их мнению, реально сократить этот срок до 2 недель. А вот столь же драматично сократить срок адекватных доклинических и клинических испытаний, увы, нельзя. И это главное «узкое звено», которое в обозримом будущем вряд ли будет преодолёно.
Ну и напоследок - цель этого поста не только рассказать о перспективных препаратах, но и дать представление о том, что такое «передовой рубеж науки» (да простят меня за использование заезженного штампа).
(с) Проф_АФВ