Изменить все: как ученые исследуют искусственные протеины и на что они способны

Поздно вечером в пятницу, Лекси Уоллс была одна в своей лаборатории, начинает историю издание Scientific American. Она находится в пределах Университета Вашингтона и там Лекси нервно ждала результаты наиболее важного в ее жизни эксперимента.

Уоллс – молодой структурный биолог-эксперт по коронавирусам. Три месяца она работала с утра до ночи, чтобы разработать новый тип вакцин против патогена.

Читайте еще Девять уроков вакцинации во время пандемии: что люди должны изучить на будущее

Новый подход к пандемии

Защитив свою диссертацию в 2019 году по структуре коронавирусов, исследовательница зашла в тогда еще очень маленький клуб. Никто тогда еще не знал, что именно объект исследования ученого вызовет мировую пандемию.

Пять лет подряд я пыталась доказать людям, что коронавирусы – важны. Мои первые слова при защите: "я собираюсь рассказать вам, как эта семья вирусов может вызвать мировую пандемию, к которой мы не готовы". К сожалению, это все сбылось,
– рассказала SA Лекси Уоллс.

Лекси надеется на свою идею. В случае успеха, она не только нанесет удар по COVID-19, но и устроит революцию в вакцинологии. Тогда можно будет мечтать об уничтожении гриппа и ВИЧ-инфекции. И это не будет как раньше, когда вакцину делали из природных материалов – инактивированного вируса, пептидов или мРНК.

Лекси Уоллс, эксперт по коронавирусам и изобретательница / Скриншот Youtube

Подход Уоллс – использовать искусственные микроскопические протеины, сделанные на компьютере. Вообще, именно их открытие спровоцировало огромный скачок вперед и уже был назван "редизайном биологии".

Четыре структуры белка / Графика ppt-online.org

Протеины сделаны из длинных нитей простых молекул, которые называются аминокислотами. Когда последние скручиваются, то формируют сложные трехмерные структуры, которые словно сделаны из оригами. Все это контролируется порядком и количеством аминокислот в каждом протеине. У ни есть мощные силы для притягивания и отталкивания.

Несмотря на то, что средняя клетка имеет 42 млн белков, взаимодействий внутри слишком много. Ученые еще недавно считали, что исследовать правила, по которым они превращаются, будет невозможно. Но новая эра искусственного интеллекта заставляет протеины раскрывать свои секреты.

Теперь биохимики могут создавать наноботов на протеиновой основе, чтобы бороться с инфекционными болезнями на уровне отдельных клеток, передавать сигналы по телу еще быстрее, демонтировать токсичные молекулы. Это как создавать биологию на заказ. Как только в конце 2019 года появились новости о загадочной пневмонии в Китае, Уоллс подумала, что это "ее клиент".

Медицинская история Коронавирусная ошибка: как ученые 60 лет назад помогли вируса убивать

Когда 10 января 2020 года – выдающаяся теперь дата в истории биологии – китайцы выложили в свободный доступ генетическую последовательность SARS-CoV-2, Лекси и биохимик Дэвид Весслер просидели всю ночь в университете, анализируя ее. Окей, подумала она. Теперь мы знаем, что делать, давайте сделаем это.

Шлюз и шип: как попасть в клетку

Как и другие из той же семьи, SARS-CoV-2 напоминает шарик, из которого торчат "колоски". На их вершинах находятся шипы или спайки. Внешне это все напоминает корону. Каждый шип заканчивается скоплением аминокислот или рецепторно-связывающим доменом (RBD). Его компоненты идеально совпадают с протеинами на поверхности тела человека. Так вирус может проникнуть в дыхательные и пищеварительные системы.

Вирусный белок (S-белок) стыкуется с рецептором ACE-2 как два космических корабля. Шип использует этот "шлюз", чтобы проникнуть внутрь клетки и размножаться там. RBD является основной мишенью нашей иммунной системы из-за своей крайне опасной роли в этой истории. Иммунные белки должны вывести домен по эксплуатации, разорвать эту связь, отстыковать "корабль" захватчика.

Но пока что специальные клетки работают медленно, потому что на изготовление антител нужно время. Тогда как репликация вируса уже нанесет значительный ущерб. Вакцины первого поколения – в том числе на основе мРНК – стали такими успешными, потому что вводили в организм копию спайки без собственно активного вируса.

Так иммунная система может узнать RBD и созвать защиту. Проблема в том, что домен часто бывает скрытым за другими частями шипа. Они прикрывают его от возможности "коннекта" с антителами, который заканчивает всю защитную операцию. Шип без коронавируса может спокойно летать не вызывая нужного сильного ответа.

В таких случаях приходится использовать большую дозу вакцины, что не всегда безопасно и может вызвать сильные побочные эффекты. Поэтому некоторые ученые считают нынешнюю технологию прививки временной. "Уже понятно, что одного только введения природных или стабилизированных протеинов недостаточно", – объяснил SA Рино Раппуоли, главный ученый и председатель разработки вакцин в фармгиганте GlaxoSmithKline.

Это интересно Клетки-камикадзе: чем нейтрофилы удивляют ученых

Почти все нынешние вакцины от детских до взрослых имеют такие протеины. Специалисты называют их иммуногенами. Теперь главная задача – сделать их лучше, чем те, которые есть в природе. Уоллс и Весслер выдвинули свою идею: оставить в покое вирусный шип, а забрать только верхушку RBD, чтобы ему было уже негде прятаться.

Это как если бы мы хотели показать на сцене ключевой компонент. Хэй, иммунная система, вот на это ты должна реагировать!
– активно объясняла Лекси Уоллс.

Главная проблема разработки

Главной проблемой было то, что биология в природе не производила рецептивно-связывающий домен, а сама по себе структура была слишком маленькой и незнакомой, чтобы привлечь внимание защиту нашего организма. Но молодые люди знали других людей, которые могут помочь им решить это. Через дорогу от них находилась Bell Labs, где собственно и разрабатывали протеины.

Лаборатория работала в рамках Института дизайна протеинов того же Университета Вашингтон. Сейчас там уже научились создавать до сотни маленьких и очень простых белков. Таких не было в живых организмах, их форма была целостной, функции – предсказуемыми.

В 2019 году группа биохимика Нила Кинга разработала два маленьких белка. Их интерфейсы взаимно дополняли друг друга. Смешавшись в растворе, они соединяются между собой и самостоятельно собираются в наночастицы. Эти шарики были размером с вирус и их можно было программировать путем простого изменения генетического кода.

Когда ученые добавили к ним 20 шипов из белка респираторно-синцитиальный вирус (РСВ), который является второй причиной детской смертности в мире, на тестах частицы показали впечатляющий иммунный ответ. Логично, подумали ученые. Почему бы не использовать эту же технологию против коронавируса? Но теперь вместо всего S-белка использовать только набор аминокислот?

В качестве бонуса, белковые наночастицы будут простыми и быстрыми в производстве. По сравнению с инактивированными вакцинами с убитым вирусом. Они также были бы стабильны при комнатной температуре хранения, в отличие от мРНК вакцин (в первую очередь, это касается Pfizer – 24). Эти должны лежать в сильной заморозке.

Больше о мРНК Вакцины от коронавируса способны на большее: большой бизнес и спасение планеты

Лекси Уоллс начала сотрудничество с Брук Фиалой – специалистом в области наночастиц. Она работала над своим прототипом – сферой, которая отражает 60 копий RBD. Дошло даже до радикального: вместо того, чтобы выливать аминокислоты прямо на поверхность наночастиц, ученые пытались привязать частицы нитями из аминокислот. Такие себе воздушные змеи.

Если достаточно времени поиграться с RBD, можно позволить защитным силам организма внимательно рассмотреть каждый угол и создать антитела, атакующие с разных сторон.

Эксперимент всей жизни

Поэтому когда запустили испытания с вакцинацией наночастицами мышей, никто не знал, что на самом деле произойдет. Другие животные получили обычные вакцины, которые уже используют. После этого, у мышей взяли кровь и смешали ее с псевдовирусом SARS-CoV-2. Это искусственная, невоспроизводимая копия вируса, которую безопасно использовать в лабораториях.

Идея была в том, чтобы выяснить не будет ли у мышей антител против и псевдовируса тоже. Уоллс пришлось ждать до позднего вечера пятницы, так как уже отмечено, создание антител – процесс долгий. Все остальные уже ушли домой, пожелав ей удачи. Весслер попросил связаться с ним, как только она получит результаты.

Уоллс запустила прибор, который мог проявлять и подсчитывать антитела, глубоко вдохнула и посмотрела на цифры. Одним мышам дали малую дозу и это был провал: ноль реакции на псевдовирус. Животные с большой дозой показывали средний эффект нейтрализации и имели антитела. Но те мыши, которым дали вакцину из наночастиц, полностью снесли лабораторную копию SARS-CoV-2!

Волнуясь, Лекси написала сообщение Весслеру: "Они нейтрализуют!". Он сказал: "Новое поколение вакцин от коронавируса уже в твоих руках!" Впрочем, это было только начало. Далее следует доказать, что вакцина-кандидат может убивать живой вирус в мышах, приматах и ​​в людях. Она вошла в последнюю тестовую фазу в начале 2021 года.

Новые вакцины из наночастиц могут совершить революцию / Графика Genengnews.com

Чтобы протестировать живой вирус, Лекси отправила мышей в Университет Северной Калифорнии к одному из лучших коронавирусных экспертов в мире – Ральфу Баричу. Учреждение имеет достаточный уровень биозащиты для работы с настоящим возбудителем. В июне 2020 года пришел удовлетворительный ответ: "нейтрализующий сила вакцины с наночастицами выше всего, что мы тестировали. Мыши полностью защищены, никаких признаков болезни".

Лекси смогла уменьшить дозу в девять раз, добавить усиливающую дозу и все равно получить высокие показатели. В январе 2021 года, вакцина начала ранние клинические испытания в Вашингтоне и Южной Кореи.

Так появилась эмблема эпохи протеинового дизайна. Технология далеко за пределами нашего воображения наконец прибыла. Теперь мы учимся формировать то, из чего мы все сделаны.

Загадки белков

Генетика трансформировала нашу жизнь за последние десятилетия. Но внутри нее всегда была загадка: простые белки. Один ген это просто код, инструкция для создания протеина. Внутри – набор из трех нуклеотидов, представленных буквами. Нуклеотиды – органические соединения, участвуют в процессах внутри клетки и являются частицами нуклеиновых кислот ДНК и РНК.

Один триплет букв кодирует только одну аминокислоту, второй – другую. Всего их существует 20, клетка использует их для построения белка. Каждая из них имеет уникальную структуру и функции. Кто-то более гибкий, кто-то – менее. Существуют положительно и отрицательно заряженные аминокислоты. Некоторых привлекает вода, других – нет.

Клетки постоянно строят белки согласно точным инструкциям, которые им предоставляет наш генетический код. Форма белка, вместе с зарядом, определяет функцию: что они могут делать, куда крепиться, на что реагировать. Например, рыжие волосы это набор белков, которые приводят к такому пигменту (конечно, это также может произойти из-за законов генетики – 24).

Или, если мы говорим, что у человека есть ген рака молочной железы. Это означает мутацию в гене, из-за которой белок кодирует неправильную аминокислоту. Это усиливает его действие до действительно появления онкологии. Понимание методов создания белка может помочь нам побороть тяжелые болезни и разрабатывать для них медикаменты.

Пониманию происхождения (этиологии – 24) таких болезней как муковисцидоз, Альцейгемер, Паркинсон, и Хантингтон, которые все связаны с деформированными белками, это бы тоже поспособствовало. Определенные генетические последовательности ведут к физическим и психическим изменениям, но часто непонятно почему.

К сожалению, пока очень сложно сказать, что происходит в этом наномире, даже используя мощные микроскопы. Сейчас нам известна структура только 0,1% этих маленьких соединений. Во всех других случаях мы догадываемся, потому что нет своего "розеттского камня" с переводом с языка белков на наш, человеческий.

Мы не знаем, как белки правильно ссоздаются и что идет не так, когда неправильно. Чтобы получить фото одного протеина в высоком качестве нужен год и 120 тысяч долларов США. В теории, должна быть возможность предусмотреть окончательную структуру белка на основе генетической последовательности. Журнал Science включил ее в список научных задач без развязки в 2005.

Впрочем, это возможно пока только для простых белков. Ученые уже знают, что если они хотят построить прямую спираль (общую структуру, обеспечивающую стабильность), то они могут использовать такие аминокислоты как лейцин, аланин и глутамат.

Что ждет зимой Грипп и простуда могут вернуться: чего ждать после COVID-19

Они имеют правильную кривую, могут взаимно дополнять друг друга, чтобы сформировать спираль и плотно связаться с другими выше или ниже. Выглядит это как шагающая пружина "Слинко". Если хочется сделать петлю, то можно добавить пролин. Она не формирует связи и позволяет спирали отклониться от нее.

Когда конкурс выиграл искусственный интеллект

Такими вещами занимаются структурные биологи. А именно основатель Института дизайна протеинов Дэвид Бейкер. Он смог разгадать некоторые базовые правила. Интересно, что программа, которая предсказывает как будет выглядеть структура, называется ... "Розетта". С ее помощью, команда Бейкера смогла создать маленькие белки, обычно размером в несколько дюжин аминокислот.

Но обычные белки в живых организмах гораздо больше, содержат тысячи аминокислот, каждая из которых связана со многими соседними.

Учитывая близость расположения, отношения могут быть разными. Впрочем, связь может быть и прочной как в бриллианте. Вероятность того или иного сценария – астрономическая, а формулы, чтобы вычислить финальные структуры пока за пределами наших лучших мозгов и даже суперкомпьютеров.

Когда все привозили ученых, Google привез искусственный интеллект / Графика SempreUpdate

Конечно, такая ситуация очень долго вызывала лишь фрустрацию. В 1994 году, группа вычислительных биологов подумала, что дружеские оревнования им не помешают (сегодня, мы бы назвали это "хакатоном" – 24). Группой руководил Джон Молт из Университета Мэриленда. Был запущен отдельный конкурс. Молту прислали подробные описания протеинов, которые еще не были обнародованы.

Важная тема Мозг под прицелом коронавируса: сенсационные исследования ученых и этическая дилемма

Молт отправил эти последовательности исследователям в лаборатории. Их задачей было вернуть свои лучшие идеи, как могло выглядеть финальное соединение. Предположение оценивались по сходству с фактической структурой. А она базировалась на основе процента молекул в нужном месте.

Было три, так сказать, призовых места:

• Базовая архитектура – 50 баллов;
• Углы и связь между основными частями – 70 баллов;
• Демонстрация крошечных молекулярных нитей – 90+ баллов;

Так конкурс и проходит каждые два года. Долго даже лучшие команды не доходили даже до "бронзы", имея лишь 20 с чем-то баллов. Максимум команды преодолели в 2016 году, набрав 40 баллов в среднем. Молт часто впадал в отчаяние, вплоть пока в 2018 не начался новый, тринадцатый конкурс. Когда 57 баллов на белок пробил..искусственный интеллект Google DeepMind.

А год назад, эта программа предоставила точные прогнозы белковой структуры, она набрала 92 балла ... везде! Наиболее простые соединения имели почти все атомы в правильном месте. На наиболее сложных – где люди едва набирали 20 с чем-то баллов – DeepMind набирал 80 с лишним!

Я никогда не думал, что мы получим такой уровень атомной точности. Это не просто распознавание, неким "чужим" образом машина понимает физику и может подсчитать как расположить атомы в аминокислоте,
– объяснил Джон Молт.

После нескольких итераций в разных местах белковой цепи, DeepMind строит 3Д-модель точечного облака, которая показывает взаимоотношения между всеми составляющими каждой из аминокислот. Поскольку все больше лабораторий используют такую ​​технологию, предположений относительно структуры белков становится все больше.

Ученые уверены – это сделает анализ в этой области гораздо более эффективным. Впрочем, DeepMind вообще-то не был создан для прикладной науки, поэтому вклад команды будет косвенным. "Они показывают силу разработки новых белков, но они не решили проблему, когда белок надо спроектировать, чтобы спасти жизнь", – объяснил SA лауреат Нобелевской премии в 2018 году Фрэнсис Арнольд.

"Розетта" против COVID-19

Когда началась пандемия, Бейкер разработал 3D-модель SARS-CoV-2 в своей программе "Розетта". Затем проанализировал на слабые места и тоже нашел рецепторно-связывающий домен. Как и Уоллс, он тоже изолировал его, чтобы тот не мог скрыться. Но вместо вакцины, решил сделать лучшие антитела. Бейкер хотел сделать белок, который крепился бы на RBD как микроскопическая липучка.

Проблема в том, что антитела тоже не идеальны. Организм не может выработать их заранее, особенно для чего-то совершенно нового. Поэтому в бой идут несколько различных вариантов сразу. Когда захватчик действительно появляется, клетки иммунной системы делают множество копий. Но не всегда антитело идеально "стыкуется" с вирусом (здесь мы возвращаемся к началу статьи – 24).

Подгонка может быть недостаточно плотной, чтобы остановить патоген. Природные антитела – большие по меркам микробиологии соединения. Не всегда они могут прижаться к вирусного RBD. Поэтому Бейкер разрабатывает искусственные, синтетические протеины, где аминокислоты разрабатываются едва не поштучно, чтобы точно уже прицепить домен к вирусу. Без всего лишнего процедура проходит легче.

Что наиболее важно: они вводятся без игл, с помощью распыления в нос. Мечта Бейкера – создать не вакцину, а лекарства, назальный спрей. Его можно использовать при первых признаках заражения или как ежедневную профилактику. Вяжущие вещества залили бы нос и остановили бы домен прежде чем он к чему-то прилип.

Благодаря долгому сроку хранения и возможности "перекодировать" на каждого нового возбудителя, этот спрей стал бы незаменимым среди врачей, учителей и всех остальных, кто сейчас на передовой. И это вместе с вакциной Уоллс, будет защищать мир и от мутаций вирусов! Впрочем, это все теория, а лекарства еще нужно было сделать.

Лонсинь Цао, докторант у Бейкера, который руководил проектом, нашел на поверхности RBD локацию с положительным зарядом, затем локацию с отрицательным зарядом, а также еще и гидрофобную (которая боится воды – 24). Затем сделал свой синтетический белок с максимальным количеством локаций. И прогнал несколько миллионов раз через "Розетту".

Нашлись три спирали, объединенные короткими аминокислотами. Каждая связь это около 60 аминокислот в длину. Антитело в 10 раз больше, шип коронавируса – в 20 раз. Перевод из "Розетты" в реальный мир теперь легкий, потому что нити ДНК уже можно напечатать на устройствах, похожих на струйные принтеры.

Напечатанные последовательности затем были вставлены в дрожжи, которые "прокачивали" эти маленькие белки вместе со своими обычными. Затем Цао собирал белки и анализировал их. Искусственные белки связывали вирус в шесть раз лучше чем любое антитело (и любая молекула на планете). Десятки лабораторий уже тоже изучают, как мини-белки помогают организму работать и предотвращать болезни.

Где подстерегает опасность

Некоторые из ученых выражает свою обеспокоенность стремительным развитием новых технологий. Они указывают, что опасность ошибки очень высока. Есть прионы, которые отвечают за нейродегенеративные заболевания. Например, синдром Кройцфельда-Якоба или фатальную семейную бессонницу. Это неправильно собранные белки, которые приводят к неправильному разложения других белков, начиная цепную реакцию.

Их можно доставить аэрозолем, а значит – использовать как оружие. Конвенция о биологическом оружии запрещает делать его из патогенов, но никто не подумал о распространении с помощью белков. Правовой статус – важный вопрос, но для синтетических протеинов он пока не определен четко.

"Пока они стоят довольно низко в списке проблем. В природе существуют гораздо более доступные и простейшие методы навредить людям", – сказала Филиппа Ленцос, эксперт по биозащите из Лондонского королевского колледжа.

Эпилог

Коронавирус SARS-CoV-2 производит новые мутации, которые могут обходить защиту из антител.

Актуально Дельта вариант может изменить мир: почему судьба человечества зависит от удачи

Поэтому Лекси Уоллс снова начала работать, создав новую наночастицу. Она была мозаичной: частица от RBD нынешнего вируса, частица – от оригинального SARS с 2000-х, еще две – от других коронавирусов. Такой широкий спектр вызвал устойчивый ответ антител против всех тестируемых вирусов из рода, включая неуловимые варианты.

Вакцина, эффективна от различных вариантов вируса, недорогая, простая в хранении и изготовлении ... Это звучит как фантастика, но именно это сейчас нужно миру. Идея уже привлекла внимание сильных от мира фармы, как то GSK Раппуоли. "Наша иммунная система любит наночастицы. Это лучший вариант".

Отсюда небо является пределом, сказал он в комментарии журналу Cell. "Дизайнерские молекулы могут открыть новую эру", – уверен он. Борьба с каждой болезнью превращается в инженерное дело. И не только в медицине, но и в других отраслях. Например, сверхпроводники или батареи. Или белки, которые собирают свет и превращают его в энергию и топливо. Искусственный фотосинтез!

Со временем, новое гармонично и элегантно заменит старое и нынешние природные аминокислоты, такие как инсулин, будут считаться чем-то архаичным.