Нобелевская неделя 2024. Дэвид Бейкер о дизайне белков de novo

Как создать белок

Обычно выступления нобелевских лауреатов обращены к прошлому и рассказывают об истории открытия, которое привело к награде, однако речь Дэвида Бейкера была обращена главным образом в будущее науки о конструировании белков.

Буквально несколько слайдов в его презентации было посвящено истории развития белкового дизайна и описанию принципов работы программы RFdiffusion, основным же содержанием лекции стал обзор свежих и свежайших работ в области белковой инженерии и размышления о будущем этой технологии и перспективах, которые она открывает перед человечеством. Примечательно, что, рассказывая об открытиях, сделанных в этой области в последние годы, нобелиат ссылался не только на работы, уже опубликованные в рецензируемых журналах, но и на публикации, размещенные на bioRxiv, который становится все более серьезной альтернативой традиционным журналам — медлительным и дорогим.

В начале лекции Дэвид Бейкер коротко напомнил слушателям основы молекулярной биологии: последовательность нуклеотидов в гене определяет последовательность аминокислотных остатков в белке, который этот ген кодирует, а последовательность аминокислотных остатков, в свою очередь, определяет структуру и функцию белковой молекулы. Так, от последовательности к структуре, движется естественная, биологическая эволюция белков.

Белковая инженерия, разрабатывающая методы конструирования белков de novo, решает обратную задачу. Стартуя от структуры и функции будущего белка, она пытается предсказать, какой должна быть последовательность аминокислот, чтобы принять нужную форму.

Говоря о белковом дизайне, Бейкер подчеркнул различие между традиционными методами белковой инженерии — «берем белок с известной структурой и слегка модифицируем его» — и принципами конструирования белков de novo, с нуля. Именно вторая задача многие десятилетия была вызовом для ученых.

Коротко коснувшись истории вопроса, Дэвид отдал должное своим предшественникам: Биллу Деградо, Стиву Майо и Брайану Кулману, стоявшим у истоков белковой инженерии, и отметил, что сейчас в этой обрасти работают тысячи исследователей по всему миру.

 История развития белковой инженерии

Следующие несколько слайдов презентации были посвящены принципам работы RFdiffusion. Эта часть доклада была рассчитана скорее на специалистов, поэтому позволю себе изложить ее чуть более упрощенно, а желающих углубиться в этот метод отсылаю к статье 2023 года «De novo design of protein structure and function with RFdiffusion», опубликованной группой Дэвида Бейкера в Nature. (PCR.NEWS написал об этой статье, когда она вышла.)

RFdiffusion — подход, применяющий принципы глубокого обучения для моделирования новых белковых структур с заданными свойствами. Для обучения модели используется банк известных белковых структур PDB (Дэвид Бейкер особо отметил вклад создателей этой базы данных в развитие белковой инженерии и структурной биологии в целом). Модель RFdiffusion относится к группе так называемых диффузионных моделей (diffusion models). Именно модели этого типа используют нейросети, создающие изображения на основе текстовых описаний, вроде популярной Midjourney. Программа, разработанная группой Бейкера, позволяет применять данный подход для предсказания структуры белка с нужными свойствами. Известно высказывание Микеланджело о том, как он создает свои статуи — «берет кусок мрамора и отсекает все лишнее». Примерно так же действуют алгоритмы RFdiffusion — стартуя с грубой приблизительной модели белка, в которой присутствует много «шума», программа постепенно «очищает» модель и приходит к однозначной структуре.

 Диффузионная модель моделирования белка с заданными свойствами | Nature (2023). DOI:  10.1038/s41586-023-06415-8

Однако если для того, чтобы разобраться в принципах работы RFdiffusion, нужно быть специалистом в области глубокого обучения, то практические последствия ее применения может оценить любой человек, интересующийся вопросами развития науки и технологий. Поэтому большая часть доклада Бейкера была посвящена перспективам использования белков, смоделированных на компьютере, а затем синтезированных de novo, в медицине, технологии и устойчивом развитии.

Медицинские применения синтезированных de novo белков включают, в частности создание нейтрализующих пептидов для змеиных токсинов.

Очень перспективным выглядит использование синтетических белков для регуляции иммунитета. В одних случаях (аутоиммунные заболевания, патологическое воспаление) его бывает необходимо «притушить», в других (злокачественные опухоли), наоборот, усилить. Данные, представленные Бейкером, показывают, что синтетические белки могут успешно блокировать рецептор фактора некроза опухолей (TNF), который играет ключевую роль в развитии воспаления. С другой стороны, они могут активировать рецептор интерлейкина 21 (IL-21), что способствует противоопухолевому иммунному ответу.

(Картина, обрисованная лектором, впечатляет, однако не совсем понятно, каким образом авторы этих разработок предполагают обходить проблему потенциальной иммуногенности синтезированных de novo белков. Любой белок с последовательностью, отличной от тех, что закодированы в генах конкретного организма, будет активировать иммунный ответ, как антиген. Это не умаляет научного значения перечисленных работ, однако накладывает ограничения на перспективы практического внедрения в ближайшее время. — М.К.).

Более близкой к практическому внедрению выглядит другая разработка — использование компьютерных методов для моделирования терапевтических антител. Моноклональные антитела уже применяются в медицине, а компьютерные методы моделирования позволят сделать разработку лекарств такого типа более быстрой и дешевой.

Другим важным прикладным аспектом использования белковой инженерии может стать разработка пептидов, блокирующих образование амилоидных бляшек при болезни Альцгеймера и других нейродегенеративных заболеваниях. В этом направлении также есть перспективные разработки

 Пептиды – «ловушки» для амилоидных белков

В качестве примера успехов компьютерного моделирования в разработке лекарственных препаратов Дэвид Бейкер привел вакцину против коронавируса SKYCovione, одобренную для использования в нескольких странах. Это вакцина разработана компанией SK Bioscience и Институтом дизайна белков в Вашингтонском университете, который возглавляет Бейкер.

Однако перспективы использования синтетических белков не ограничиваются медициной. В следующей части лекции Бейкер сделал впечатляющий обзор возможностей, которые открывает создание белков с заданными свойствами в самых разных областях науки и техники.

Быстрее эволюции

Роль дизайна белков в будущем Земли и человечества нобелевский лауреат описал так:

«Во всех живых организмах белки действуют как крошечные механизмы, выполняя все важные функции. Они эволюционировали сотни миллионов лет или даже миллиарды лет, чтобы достигнуть совершенства в решении проблем, возникавших в ходе биологической эволюции. Но в наше время мы столкнулись с новыми проблемами, мы живем дольше, и это создает нам проблемы с нейродегенеративными и другими возрастными заболеваниями, мы разогреваем и загрязняем нашу планету. Возможно, в ходе действия естественного отбора в конце концов появятся белки, которые смогут помочь с решением этих проблем, но на это нужно очень много времени. Цель белкового дизайна de novo — создание новых белков, которые могут стать решением для проблем сегодняшнего дня, так же как белки, появившиеся в результате эволюции, решали проблемы, возникшие перед живыми существами ранее».

В лабораториях уже исследуются белковые нанопоры с заданными радиусом и проводимостью, разрабатываются белки — сенсоры к определенным веществам. Очень интересной выглядит идея «молекулярных переключателей» — белков, которые меняют свою конформацию при взаимодействии с определенными молекулами-регуляторами. Все эти и многие другие наработки будут в ближайшее время использованы для появления нового поколения биоэлектронных технологий.

 Синтетические белковые нанопоры с заданными свойствами

Важная прикладная задача, востребованная в самых разных областях от медицины до криминалистики — распознавание определенный последовательностей ДНК. Синтетические белки, способные взаимодействовать с определенными участками ДНК, могут стать основой для совершенно новых подходов к анализу биологических образцов и экспресс-диагностике.

Кроме того, развитие белковой инженерии позволят улучшить методы точной адресной доставки лекарств с помощью наночастиц.

Среди технологических инноваций, связанных с прогрессом белковой инженерии, Бейкер особо выделил направления исследований, которые в перспективе могут способствовать переходу человечества на рельсы устойчивого развития: создание возобновляемых источников энергии и инновационных технологий, направленных на сохранение и восстановление окружающей среды.

Одна из основных функций белков в организме — катализ химических реакций. Без белков-ферментов, катализирующих превращения органических веществ, жизнь была бы попросту невозможна. Природные ферменты широко используются в биотехнологиях и медицине, однако белковая инженерия позволяет радикально расширить область их применения и синтезировать новые эффективные катализаторы для самых разных химических реакций. Эти ферменты могут быть использованы, в частности, для биодеградации пластиковых отходов, которые являются огромной экологической проблемой в настоящее время.

Важнейшей биохимической реакцией на Земле является реакция фотосинтеза: сложный комплекс белков и молекул хлорофилла улавливает энергию солнечного света и преобразует ее в энергию химических связей. В настоящее время ведется разработка искусственных фотосинтетических комплексов на основе белков, синтезированных de novo. В будущем это может дать человечеству доступ к новым экологически чистым источникам энергии. «Искусственный фотосинтез» может оказаться даже более эффективным, чем естественный, поскольку предполагается, что синтетические белки будут улавливать солнечный свет в более широком диапазоне, чем природные комплексы.

(Солнечные батареи у нас есть и сегодня. Но при изготовлении их фотоэлементов используются ядовитые вещества, и утилизация солнечных батарей обещает стать новой экологической проблемой. Белковые фотосинтезирующие станции, как предполагается, будут лишены этого недостатка. — М.К.)

 Синтетические хлорофилл-связывающие белки для искусственного фотосинтеза

И наконец, полупроводники на основе белков могут открыть такие перспективы для развития микроэлектроники, которые сейчас сложно даже вообразить.

Эта часть лекции, обрисовывающая всемогущество белковых технологий в таких разных областях, как энергетика, восстановление окружающей среды и микроэлектроника, произвела, пожалуй, самое сильное впечатление.

В заключение лектор поблагодарил сотрудников своей лаборатории и всех людей, которые внесли свой вклад в развитие науки о белках.

Энтузиазм, с которым Дэвид Бейкер рассказывал о будущем белковой инженерии, по-настоящему захватил слушателей. Лауреатов всегда встречают и провожают аплодисментами, но его проводили со сцены овациями и криками, словно рок-звезду. Лекция Бейкера был настоящей одой той науке, которая является чем-то большим, чем «удовлетворение личного любопытства за государственный счет», стремится изменять к лучшему мир и жизнь людей в нем. Я думаю, публика аплодировала именно этому.