Joint optimisation of amino acid and coding sequence for de novo designed proteins

Nel silenzioso mondo microscopico della vita, le istruzioni per costruire una proteina sono scritte in un linguaggio doppio. Il primo linguaggio è la proteina stessa, una catena di amminoacidi che si ripiega in una forma specifica per svolgere un compito, come una chiave che si inserisce in una serratura o un enzima che accelera una reazione chimica. Il secondo linguaggio è il gene, un filamento di DNA che funge da progetto per quella proteina. Per milioni di anni, la natura ha scritto questi progetti, e ogni proteina naturale viene accompagnata da un gene che è stato testato e perfezionato dall'evoluzione. Ma nella scienza moderna, i ricercatori stanno ora progettando proteine interamente nuove partendo da zero, creando forme che la natura non ha mai creato. La sfida è che, sebbene gli scienziati siano diventati molto bravi a immaginare queste nuove forme, spesso faticano a costruire i geni necessari per realizzarle. Un gene non è solo una copia passiva della proteina; è un complesso insieme di istruzioni dove la scelta specifica delle lettere è fondamentale per quanto bene il gene venga letto, per quanto sia stabile il messaggio e se la cellula possa effettivamente produrre la proteina senza soffocare.

Per una proteina naturale, il gene è una quantità nota, un partner affidabile che è sopravvissuto alla prova del tempo. Per una proteina completamente nuova, progettata, non esiste un tale partner. Gli scienziati devono inventare il gene dal nulla. Finora, l'approccio standard è stato quello di trattare questi due compiti come passaggi separati. Prima, un computer progetta la forma perfetta della proteina. Poi, un diverso programma per computer prende quella forma fissa e cerca di trovare il miglior gene possibile per costruirla, assumendo che la sequenza proteica non possa essere modificata. Questo articolo sostiene che questa separazione sia un errore. I ricercatori dimostrano che la sequenza proteica non è un bersaglio fisso ma uno flessibile, e che permettendo alla sequenza proteica di spostarsi leggermente mentre si progetta il gene, possono risolvere problemi che un progettista di geni standard non può nemmeno toccare. Hanno sviluppato un nuovo metodo che progetta insieme la proteina e il suo gene, trovando una soluzione che è migliore per la cellula, più facile da fabbricare e più probabile che funzioni in laboratorio.

I ricercatori hanno iniziato esaminando una vasta collezione di 862 scheletri proteici, inclusi centinaia di nuovi design creati da altri scienziati. Si sono posti una domanda semplice: quanta libertà abbiamo effettivamente quando progettiamo un gene per una forma specifica? Hanno scoperto che per quasi ogni posizione in queste nuove proteine, esistono diversi amminoacidi che si adatterebbero alla forma altrettanto bene. In effetti, i modelli informatici hanno mostrato che per un design tipico, esiste una vasta quantità di flessibilità nascosta, una sorta di "margine di manovra" in cui la proteina potrebbe essere costruita con diversi blocchi di costruzione senza perdere la sua forma. Il metodo standard scarta questa flessibilità, scegliendo una sequenza e bloccandola prima ancora che il gene venga considerato. Il nuovo approccio, che gli autori chiamano JANUS, mantiene aperta questa flessibilità. Tratta la proteina e il gene come un unico puzzle connesso, cercando la migliore combinazione di entrambi contemporaneamente.

Quando hanno testato questo approccio congiunto su 447 design proteici pubblicati, i risultati sono stati sorprendenti. Hanno scoperto che il 99,1% di questi design presentava almeno un difetto nascosto, una "responsabilità" che potrebbe causare il fallimento della proteina quando la cellula tenta di produrla. Questi difetti includevano sequenze troppo ripetitive, regioni troppo appiccicose e inclini ad aggregarsi, o segnali che dicono alla cellula di distruggere la proteina. Un ottimizzatore di geni standard, che può solo cambiare le lettere del gene mantenendo la proteina fissa, non poteva risolvere questi problemi. Era come cercare di riparare un tetto che perde riorganizzando soltanto i mobili all'interno; la struttura stessa era il problema. Permettendo alla sequenza proteica di cambiare leggermente, il nuovo metodo poteva rimuovere questi difetti. Per tre dei cinque tipi di difetti che hanno esaminato, il costo per risolverli era incredibilmente piccolo, richiedendo solo una minima variazione nel design complessivo.

Il risultato più sorprendente e pratico non riguardava la biologia della proteina, ma la logistica della sua produzione. Le aziende commerciali che sintetizzano geni per gli scienziati hanno regole rigide su ciò che costruiranno. Non possono realizzare geni con certi schemi di lettere perché tali schemi sono difficili da fabbricare o soggetti a errori. I ricercatori hanno scoperto che, quando usavano il vecchio metodo di progettare prima la proteina e poi il gene, i geni risultanti violavano le regole di produzione più della metà delle volte. Quando hanno usato il nuovo metodo congiunto, il numero di violazioni è diminuito di oltre la metà. Ciò significa che un gene che un fornitore avrebbe precedentemente rifiutato di produrre può ora essere ordinato e costruito. Questo è un collo di bottiglia critico; se un gene non può essere ordinato, il progetto si ferma prima ancora che la biologia venga testata. Il nuovo metodo essenzialmente libera la strada affinché queste nuove proteine possano uscire dal computer ed entrare nel mondo reale.

Lo studio ha anche esaminato quanto la sequenza proteica dovesse effettivamente cambiare per ottenere questi benefici. Hanno scoperto che per la stragrande maggioranza dei design, il metodo aveva solo bisogno di sostituire alcuni amminoacidi per ottenere un risultato molto migliore. In effetti, hanno dimostrato che una quantità molto piccola di flessibilità era sufficiente per catturare quasi tutti i possibili miglioramenti. Ciò suggerisce che la sequenza proteica "perfetta" non è un punto singolo e rigido, ma un panorama con molte buone opzioni. Il metodo congiunto trova semplicemente il punto in quel panorama dove la proteina è stabile, il gene è facile da leggere e le regole di produzione sono soddisfatte. Hanno anche testato se questo approccio funzionasse meglio in diversi tipi di cellule, come batteri rispetto alle cellule umane, e hanno scoperto che il metodo si adattava con successo a entrambi, sebbene i cambiamenti specifici richiesti fossero diversi per ogni ospite.

Nonostante questi successi, i ricercatori sono stati attenti a notare dove il loro metodo non forniva un vantaggio massiccio. Per una parte specifica del gene che controlla la velocità con cui inizia la produzione proteica, hanno scoperto che la maggior parte del miglioramento poteva essere ottenuta semplicemente cambiando le lettere del gene senza toccare la proteina. Ciò conferma che, per alcuni compiti, il vecchio modo di fare è ancora piuttosto buono. Tuttavia, per l'insieme più ampio di problemi che coinvolgono la stabilità della proteina e la sua interazione con i sistemi di pulizia della cellula, l'approccio congiunto è essenziale. Lo studio conclude che il campo della progettazione proteica ha trattato il gene come un elemento secondario, ma per le proteine de novo, il gene è un vincolo primario. Risolvendo insieme la proteina e il gene, gli scienziati possono creare design che non sono solo teoricamente solidi, ma praticamente sostenibili, trasformando una maggiore parte delle loro creazioni digitali in molecole reali e funzionanti.