OpenAntigens: a structure-aware database for antigen construct design across the human cell-surface and secreted proteome

In de wereld van de moderne geneeskunde en biologie moeten wetenschappers vaak specifieke eiwitten bestuderen om te begrijpen hoe ziekten werken of om nieuwe behandelingen te ontwikkelen. Veel van deze eiwitten zitten op het oppervlak van cellen of zweven vrij in de lichaamsvloeistoffen, waarbij ze fungeren als signalen, deuren of ankers. Om ze in een laboratorium te bestuderen, moeten onderzoekers eerst een fysieke kopie, of een "construct", van precies het juiste deel van dat eiwit maken. Dit is een lastige taak, omdat eiwitten lange, complexe ketens zijn die zich vouwen in specifieke driedimensionale vormen. Als een wetenschapper de keten op de verkeerde plek doorknipt, kan hij eindigen met een slap, nutteloos fragment dat zijn vorm niet behoudt, of hij kan per ongeluk een deel opnemen dat zich binnenin het celmembraan bevindt, wat niet in een standaard reageerbuis kan worden bestudeerd.

De uitdaging is dat een enkel eiwit op veel verschillende manieren kan worden beschreven in diverse wetenschappelijke databases. De ene bron vermeldt misschien waar het eiwit begint en eindigt, een andere laat een door de computer gegenereerde schatting van de vorm zien, en een derde toont welke delen bekend zijn door interactie met andere moleculen. Voordat een wetenschapper de DNA kan bestellen die nodig is om de kopie van zijn eiwit te maken, moet hij eerst verspreide aanwijzingen handmatig verzamelen, controleren of ze overeenstemmen en beslissen precies waar hij de keten moet doorsnijden. Dit proces is traag, foutgevoelig en vereist vaak het jongleren met tientallen verschillende websites en bestanden om slechts één basisvraag te beantwoorden: welk deel van dit eiwit moet ik bouwen?

Een nieuwe bron genaamd OpenAntigens beoogt deze flessenhals op te lossen door al die informatie op één plek samen te brengen. OpenAntigens, ontwikkeld door een team van het Institute for Protein Innovation, richt zich op 5.328 menselijke eiwitten die ofwel door cellen worden uitgescheiden of op het celoppervlak zitten. In plaats van onderzoekers de aanwijzingen zelf te laten samenvoegen, verzamelt OpenAntigens automatisch gegevens uit belangrijke biologische archieven, waaronder gegevens over eiwitvormen, bekende familiebanden en ziekteassociaties. Het gebruikt deze informatie vervolgens om voor elk eiwit een gedetailleerd rapport te genereren, waarin wordt gesuggereerd welke secties de beste kandidaten zouden zijn voor laboratoriumonderzoek.

Het systeem werkt door naar de structuur van het eiwit en de biologische context te kijken. Voor eiwitten die een voorspelde 3D-vorm hebben van computermodellen, analyseert de database de betrouwbaarheid van dat model om stabiele, gevouwen regio's te vinden. Het maakt onderscheid tussen delen van het eiwit die waarschijnlijk rigide en nuttig zijn, en delen die slap of ongeordend zijn. Op basis van deze analyse biedt het vijf verschillende soorten suggesties voor elk eiwit. Sommige suggesties beslaan de gehele buitenkant van het eiwit, wat nuttig is als een wetenschapper wil bestuderen hoe de volledige vorm interageert met andere moleculen. Andere richten zich op specifieke, goed gedefinieerde domeinen of regio's die in eerdere experimenten zijn waargenomen. Het systeem biedt ook "strikte" suggesties die het eiwit opdelen in zijn kleinste, meest stabiele bouwstenen, wat kan helpen bij het creëren van zeer gerichte instrumenten.

Naast het suggereren van waar men moet doorsnijden, helpt de database wetenschappers ook na te denken over veiligheid en specificiteit. Het controleert op "beperkingen" (liabilities), zoals ongepaarde chemische groepen die ervoor kunnen zorgen dat het eiwit op ongewenste wijze aan zichzelf plakt, of plaatsen waar de cel het eiwit van nature doorsnijdt of modificeert. Cruciaal is dat het ook kijkt naar hoe vergelijkbaar het menselijke eiwit is met eiwitten die voorkomen in muizen en apen, veelgebruikte dieren in onderzoek. Door precies te tonen welke delen van het eiwit identiek zijn over verschillende soorten heen, helpt de database wetenschappers beslissen of een instrument dat zij voor mensen bouwen ook in dieren zal werken, of dat ze bepaalde gebieden moeten vermijden om te voorkomen dat het instrument op het verkeerde doelwit reageert.

Het resultaat is een enorme collectie van meer dan 55.000 specifieke ontwerpvoorstellen en bijna 150.000 vergelijkingen met andere eiwitten, allemaal georganiseerd in een gratis, gemakkelijk te gebruiken website. Voor een gegeven eiwit kan een gebruiker een visuele kaart van de voorgestelde sneden, de betrouwbaarheid van de vorm en de sequentie van de aminozuren bekijken. Als er een compatibel computermodel bestaat, bevat de website zelfs een interactieve tool waarmee gebruikers hun handen over de vorm van het eiwit kunnen slepen om hun eigen grenzen te selecteren, waarbij ze in realtime zien hoe het systeem hen waarschuwt voor potentiële chemische problemen of ontbrekende onderdelen. Deze interactieve functie stelt onderzoekers in staat om de suggesties te verfijnen om aan hun specifieke behoeften te voldoen, zonder dat zij complexe code hoeven te schrijven of handmatig tientallen documenten hoeven te kruisverwijzen.

Hoewel de database een krachtig startpunt biedt, benadrukken de auteurs er voorzichtig bij dat het niet garandeert dat een eiwit gemakkelijk te maken zal zijn of dat een instrument dat ervan gebouwd is perfect zal werken. De suggesties zijn gebaseerd op bestaande gegevens en computervoorspellingen, niet op fysieke experimenten die door de database zelf zijn uitgevoerd. Sommige eiwitten, met name die het celmembraan meerdere malen doorkruisen of die een partner-eiwit nodig hebben om te functioneren, blijven moeilijk te bestuderen, en de database markeert deze gevallen zodat wetenschappers weten dat ze met extra voorzichtigheid te werk moeten gaan. De tool is ontworpen om het zware werk van informatieverzameling en initiële planning op zich te nemen, zodat onderzoekers zich kunnen concentreren op de werkelijke experimenten.

Door duizenden eiwitten te organiseren in duidelijke, actiegerichte rapporten, verandert OpenAntigens een chaotisch, handmatig proces in een gestroomlijnde workflow. Het stelt wetenschappers in staat om sneller van het idee om een eiwit te bestuderen naar de fysieke handeling van het bouwen ervan te gaan. Of het doel nu is om een nieuw antilichaam te ontwikkelen, een diagnostische test te creëren of de structuur van een ziektegerelateerd eiwit te begrijpen, deze bron biedt een enkele, betrouwbare kaart om door het complexe landschap van menselijke eiwitten te navigeren, waardoor wordt gewaarborgd dat de eerste stap in de reis zo geïnformeerd en nauwkeurig mogelijk is.