Molecola del Mese
di David S. Goodsell
trad di Mauro Tonellato

Proteine Artificiali


Molecola del Mese di Ottobre 2005

Proteine Artificiali
Dato che impariamo sempre di più sulle proteine e sul loro funzionamento, è naturale che vogliamo usare queste conoscenze per modificare proteine o per costruirne di nuove. Fin dai primi anni 1980, gli scienziati hanno usato le nuove conoscenze sulla struttura e sulla funzione delle proteine per ridisegnare proteine esistenti e, più recentemente, per progettare proteine completamente nuove.

Progettare Proteine
Quando gli scienziati hanno cominciato questa ricerca, hanno scoperto molto presto che le proteine erano più complicate di quanto sembrava. I diversi tipi di amminoacidi, ognuno con le proprie caratteristiche chimiche, collaborano insieme per indurre la catena della proteina a ripiegarsi in una struttura stabile e compatta.
Molti amminoacidi apolari a lunga catena, come leucina, isoleucina e fenilalanina vengono posti nella parte interna della proteina, perchè sono in grado di legarsi strettamente tra loro, mentre sono incompatibili con l'acqua.
D'altra parte, amminoacidi carichi, come lisina, arginina e acido aspartico, sono in genere distribuiti sulla superficie della proteina per renderla solubile in acqua.
Amminoacidi capaci di formare legami idrogeno, come serina ed asparagina, sono disposti in punti strategici per legare insieme porzioni diverse della catena.
Infine, amminoacidi particolari come glicina e prolina sono utilizzati per piegare la catena in una nuova direzione.

Progettare in negativo
Questa combinazione di forze favorevoli blocca la catena proteica in una struttura stabile e compatta. Ma questo è solamente il primo passo nel progetto di una proteina. Per progettare una proteina che si possa ripiegare con successo, bisogna anche assicurarsi che abbia una sola struttura stabile. Se ci sono anche altri modi di ripiegare la proteina, questi competeranno con la struttura desiderata e ne ostacoleranno la costruzione. Quindi, non è sufficiente progettare una struttura proteica stabile, bisogna anche progettare una proteina che sia instabile in ogni altra conformazione.

Proteine nuove
Basandosi su un'esperienza di molti anni di ricerca nel campo della struttura delle proteine, gli scienziati del Centro di Ricerca sul Cancro Fred Hutchinson di Seattle hanno valutato con successo questi elementi di progetto positivo e negativo per creare una proteina completamente nuova. Hanno cominciato con un avvolgimento che non era mai stato osservato in natura, mostrato qui sopra sulla sinistra. Poi, hanno usato un metodo computazionale, cioè di calcolo al computer; per progettare una sequenza di amminoacidi che adottasse questo avvolgimento. Quando hanno costruito la proteina, che hanno chiamato Top7, hanno scoperto che si avvolgeva assumendo esattamente la struttura che avevano previsto (file PDB 1qys).

Alfa Eliche Speciali
L'approccio più comune alla progettazione di proteine consiste nel partire dalla struttura di una proteina naturale e apportare a questa delle modifiche. Molti gruppi di ricerca si sono concentrati su una struttura particolarmente stabile composta di alfa eliche, la proteina GCN4, un attivatore della trascrizione di lievito che contiene due catene che sono legate insieme con una specie di cerniera lampo di leucine. La sua sequenza è speciale e forma un'alfa elica dalla quale sporgono molte leucine dallo stesso lato. Le leucine sono perfettamente spaziate, così si possono compenetrare con quelle presenti sull'altra alfa elica, incollando insieme le due eliche, come è mostrato qui sopra sulla sinistra (file PDB 2zta).
Alcuni gruppi di ricerca hanno progettato proteine nuove basate su questo principio.
Coil-Ser (file PDB 1cos) è composta di tre corte catene proteiche che formano alfa eliche che poi si associano tra loro per formare un fascio compatto.
Alpha3D (file PDB 2a3d) è composta di una sola catena che si ripiega in un fascio di tre alfa eliche connesse da corti filamenti.
RH4 (file PDB 1rh4) è stata progettata scegliendo con cura gli amminoacidi che si sarebbero posizionati internamente tra le eliche per eliminare la torsione caratteristica dei fasci di alfa eliche. Notate che le alfa eliche terminano in modo diverso rispetto alle altre strutture.
Infine, alcuni ricercatori stanno progettando nuove funzioni per le loro proteine artificiali, per esempio aggiungendo siti di legame per metalli nella proteina DF2 (file PDB 1jmb).


Esplorando la Struttura
Uno degli obiettivi della progettazione di nuove proteine è creare mini-proteine da usare nelle biotecnologie e in medicina. Molti gruppi di ricerca hanno creato mini-proteine prendendo domini piccoli e stabili di proteine naturali e riprogettado poi gli amminoacidi per stabilizzare l'avvolgimento desiderato. Due esempi sono mostrati qui a lato.
L'avvolgimento di TC5b (file PDB 1l2y) è stato preso da una proteina trovata nell'Eloderma, una lucertola velenosa, ed è stata poi troncata e ridisegnata per ottenere una migliore stabilità. Ha un triptofano al centro (asterisco) circondato da proline che insieme stabilizzano la struttura.
Pda8d (file PDB 1psv) e FSD-1 (file PDB 1fsd, non mostrata) derivano il loro avvolgimento da un dito di zinco (mdm 3-2007), e sono state ridisegnate in modo che lo zinco non sia più necessario per il ripiegamento. Notate che Pda8d possiede un gruppo di amminoacidi apolari al centro (asterisco), e molti amminoacidi carichi affiorano sulla superficie.


Bibliografia

J. S. Richardson and D. C. Richardson (1989) The de novo design of protein structures. Trends in Biochemical Sciences 14, 304-309.

W. F. DeGrado, C. S. Summa, V. Pavone, F. Nastri and A. Lombardi (1999) De novo design and structural characterization of proteins and metalloproteins. Annual Review of Biochemistry 68, 779-819.