Screening Protein Conformational Responses by Molecular Friction Sensing
Questo articolo introduce il Molecular Friction Sensing (MFS), una tecnica compatibile con lo screening che utilizza nanolever di DNA origami per rilevare cambiamenti conformazionali proteici indotti da ligandi con sensibilità sub-Angström, aggiungendo così una dimensione strutturale cruciale alla scoperta di farmaci che rivela come l'affinità di legame e la cinetica da sole non possano predire gli esiti strutturali.
Articolo originale sotto licenza CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Questa è una spiegazione generata dall'IA di un preprint non sottoposto a revisione paritaria. Non è un consiglio medico. Non prendere decisioni sulla salute basandoti su questo contenuto. Leggi il disclaimer completo
Le proteine sono i motori della vita, minuscole macchine che costruiscono le cellule, inviano segnali e guidano la chimica del nostro corpo. Per molto tempo, gli scienziati hanno immaginato queste molecole come statue statiche, congelate in un'unica, perfetta forma. Ora sappiamo che non è così. Le proteine sono flessibili; respirano, si torcono e oscillano tra diverse forme. Questa capacità di cambiare forma è spesso il modo in cui svolgono il loro lavoro. Un farmaco potrebbe funzionare non bloccando una proteina come una chiave in una serratura, ma spingendo la proteina verso una forma specifica che attiva o disattiva una funzione. La sfida per i ricercatori è stata trovare un modo per osservare questi sottili cambiamenti di forma rapidamente. I metodi tradizionali possono dirci se un farmaco si lega a una proteina, ma spesso non possono dirci se quel farmaco abbia effettivamente cambiato la forma della proteina. Senza questa informazione, è difficile sapere se un potenziale medicinale funzionerà come sperano gli scienziati.
Un team di ricercatori ha sviluppato un nuovo modo per osservare questi cambiamenti di forma in tempo reale. Hanno creato un metodo chiamato rilevamento della frizione molecolare, che agisce come una bilancia altamente sensibile per il movimento. Immaginate un piccolo braccio rigido fatto di DNA, ancorato a un'estremità a una superficie. Questo braccio è così piccolo da essere invisibile a occhio nudo, ma è abbastanza lungo da sostenere una singola proteina alla sua punta. I ricercatori applicano un leggero impulso elettrico per far oscillare questo braccio avanti e indietro. Quando il braccio oscilla, spinge contro il liquido circostante, creando una sorta di resistenza, o attrito. Se la proteina attaccata alla punta è grande o ingombrante, crea più resistenza e il braccio oscilla più lentamente. Se la proteina è piccola o compatta, il braccio oscilla più velocemente. Misurando la velocità di questa oscillazione con estrema precisione, i ricercatori possono determinare la dimensione effettiva della proteina.
I ricercatori hanno testato questa idea con una varietà di proteine, che vanno da quelle molto piccole a strutture massicce e complesse. Hanno scoperto che la velocità del braccio oscillante cambia in proporzione diretta alla dimensione della proteina ad esso attaccata. Ciò ha confermato che il metodo può misurare accuratamente le dimensioni fisiche di una proteina. Ma l'obiettivo reale era vedere se il metodo potesse rilevare quando una proteina cambiava forma dopo aver catturato un farmaco. Per testare questo, hanno esaminato una proteina chiamata proteina di legame con la maltodestrina, che interagisce naturalmente con le molecole di zucchero. Hanno introdotto diversi tipi di molecole simili allo zucchero alla proteina. Alcune di queste molecole erano quelle con cui la proteina è progettata per lavorare, mentre altre erano simili ma non del tutto corrette. I ricercatori hanno osservato che quando le corrette molecole di zucchero si legavano alla proteina, la proteina cambiava forma in un modo che aumentava l'attrito, rallentando il braccio. Quando le molecole errate si legavano, l'attrito cambiava in un modo diverso, o non cambiava affatto. Ciò ha dimostrato che il metodo poteva distinguere tra molecole che si limitano ad attaccarsi alla proteina e quelle che in realtà innescano un cambiamento funzionale nella sua forma.
Per vedere se questo approccio potesse funzionare come strumento per la scoperta di farmaci, il team lo ha applicato alla carboidrasi, un enzima comune spesso usato per testare nuovi farmaci. Hanno prima identificato ventidue diversi composti che sono noti per legarsi a questo enzima utilizzando i metodi standard. Poi, hanno utilizzato il rilevamento della frizione molecolare per vedere come ciascuno di questi composti influenzasse la forma dell'enzima. I risultati sono stati rivelatori. Alcuni composti che si legavano molto strettamente all'enzima causavano quasi nessun cambiamento nella sua forma. Altri, che potrebbero essere stati considerati meno efficaci dai parametri tradizionali, causavano un cambiamento significativo nell'enzima. Fondamentalmente, la forza del legame non prediceva il cambiamento di forma. Un legame forte non garantiva un grande spostamento strutturale, e un legame debole non significava che la proteina rimanesse invariata. Ciò significa che sapere che un farmaco si lega a un bersaglio non è sufficiente per sapere cosa farà a quel bersaglio.
Lo studio dimostra che questa nuova tecnica di rilevamento può individuare cambiamenti di forma piccoli come una frazione della larghezza di un singolo atomo. Questo livello di sensibilità permette agli scienziati di vedere le sottili differenze tra farmaci che appaiono simili sulla carta ma agiscono in modo molto diverso all'interno del corpo. I ricercatori hanno notato che il metodo funziona in normali condizioni biologiche, utilizzando piccole quantità di proteine, il che lo rende adatto allo screening di grandi librerie di potenziali medicinali. Aggiungendo una misura del cambiamento di forma ai test standard sulla capacità di un farmaco di legarsi, gli scienziati possono ora dare priorità ai candidati che hanno maggiori probabilità di produrre l'effetto biologico desiderato. Questo approccio offre una via più chiara per comprendere come funzionano i farmaci, andando oltre il semplice legame per vedere la reale conseguenza meccanica dell'incontro di una molecola con il suo bersaglio.
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