Змінити все: як вчені досліджують штучні протеїни й на що вони здатні

Пізно ввечері у п'ятницю, Лексі Уоллс була сама у своїй лабораторії, починає історію видання Scientific American. Вона знаходиться у межах Університету Вашингтону і там Лексі нервово чекала на результати найбільш важливого у її житті експерименту.

Уоллс – молода структурна біологиня з експертизою у коронавірусах. Три місяці вона працювала з ранку до ночі, щоб розробити новий тип вакцин проти патогену.

Читайте ще Дев'ять уроків вакцинації у пандемію: що люди мають вивчити на майбутнє

Новий підхід до пандемії

Захистивши свою дисертацію у 2019 по структурі коронавірусів, дослідниця зайшла у тоді ще дуже маленький клуб. Ніхто тоді ще не знав, що саме об'єкт дослідження вченої викличе світову пандемію.

П'ять років поспіль я намагалася довести людям, що коронавіруси – важливі. Мої перші слова під час захисту: "я збираюся розказати вам, як ця родина вірусів може викликати світову пандемію, до якої ми не готові". Нажаль, це все збулося,
– розповіла SA Лексі Уоллс.

Лексі сподівається на свою ідею. В разі успішності, вона не лише завдасть удару по COVID-19, але й зчинить революцію у вакцинології. Тоді можна буде мріяти про знищення грипу та ВІЛ-інфекції. І це не буде як раніше, коли вакцину робили з природних матеріалів – інактивованого вірусу, пептидів чи мРНК.

Лексі Уоллс, експертка з коронавірусів та винахідниця / Скриншот Youtube

Підхід Уоллс – використовувати штучні мікроскопічні протеїни, зроблені на комп'ютері. Взагалі, саме їхнє відкриття спровокувало величезний стрибок вперед та вже було названо "редизайном біології".

Чотири структури білка / Графіка ppt-online.org

Протеїни зроблені з довгих ниток простіших молекул, які називаються амінокислотами. Коли останні скручуються, то формують складні тривимірні структури, які нібито зроблені з орігамі. Все це контролюється порядком та кількістю амінокислот у кожному протеїні. Вони мають потужні сили для приваблення та відштовхування.

Зважаючи на те, що середня клітина має 42 млн білків, взаємодій всередині занадто багато. Вчені ще донедавна вважали, що дослідити правила, за якими вони перетворюються, буде неможливо. Але нова ера штучного інтелекту змушує протеїни розкривати свої секрети.

Тепер біохіміки можуть створювати наноботів на протеїновій основі, щоб боротися з інфекційними хворобами на рівні окремих клітин, передавати сигнали по тілу ще швидше, демонтувати токсичні молекули. Це як створювати біологію на замовлення. Як тільки наприкінці 2019 року з'явилися новини про загадкову пневмонію в Китаї, Уоллс подумала, що це "її клієнт".

Медична історія Коронавірусна помилка: як вчені 60 років тому допомогли вірусу вбивати

Коли 10 січня 2020 року – визначна тепер дата в історії біології – китайці виклали у вільний доступ генетичну послідовність SARS-CoV-2, Лексі та біохімік Девід Весслер просиділи всю ніч в університеті, аналізуючи її. Окей, подумала вона. Тепер ми знаємо, що робити, давайте зробимо це.

Шлюз та шип: як потрапити в клітину

Як і інші з тієї самої родини, SARS-CoV-2 нагадує кульку, з якої стирчать "колоски". На їх вершинах знаходяться шипи або спайки. Ззовні це все нагадує корону. Кожен шип закінчується скупченням амінокислот або рецепторно-зв'язуючим доменом (RBD). Його компоненти ідеально співпадають з протеїнами на поверхні тіла людини. Так вірус може проникнути у дихальні та травні системи.

Вірусний білок (S-білок) стикується з рецептором ACE-2 як два космічних корабля. Шип використовує цей "шлюз", щоб проникнути всередину клітини і розмножитись там. RBD є основною мішенню нашої імунної системи через свою вкрай небезпечну роль у цій історії. Імунні білки мають вивести домен з експлуатації, розірвати цей зв'язок, відстикувати "корабель" загарбника.

Так імунна система може упізнати RBD та скликати захист. Проблема у тому, що домен часто буває схованим за іншими частинами шипу. Вони прикривають його від можливості "конекту" з антитілами, що закінчує всю захисну операцію. Шип без коронавірусу може спокійно собі літати не викликаючи потрібної сильної відповіді.

У таких випадках доводиться використовувати більшу дозу вакцини, що не завжди безпечно і може викликати сильніші побічні ефекти. Тому деякі вчені вважають нинішню технологію щеплення тимчасовою. "Вже зрозуміло, що одного тільки введення природних чи стабілізованих протеїнів недостатньо", – пояснив SA Ріно Раппуолі, головний науковець та голова розробки вакцин у фармгіганті GlaxoSmithKline.

Це цікаво Клітини-камікадзе: чим нейтрофіли дивують вчених

Майже всі нинішні вакцини: від дитячих до дорослих мають такі протеїни. Спеціалісти називають їх імуногенами. Тепер головне завдання – зробити їх кращими ніж ті, що є в природі. Уоллс та Весслер виснули свою ідею: залишити у спокої вірусний шип, а забрати лише верхівку RBD, щоб йому було вже ніде ховатись.

Це ніби якби ми хотіли показати на сцені ключовий компонент. Хей, імунна система, ось на це ти маєш реагувати! 
– активно пояснювала Лексі Уоллс.

Головна проблема розробки

Головною проблемою було те, що біологія в природі не виробляла рецептивно-зв'язуючий домен, а сама по собі структура була занадто маленькою та незнайомою, щоб привернути увагу захисту нашого організму. Але молоді люди знали інших людей, які можуть допомогти їм вирішити це. Через дорогу від них знаходилась Bell Labs, де власне і розробляли протеїни.

Лабораторія працювала в рамках Інституту дизайну протеїнів того ж самого Університету Вашингтон. Зараз там вже навчилися робити до сотні маленьких та дуже простих білків. Таких не було в живих організмах, їхня форма була цілісною, функції – передбачуваними.

У 2019 році група біохіміка Ніла Кінга розробила два маленьких білки. Їхні інтерфейси взаємно доповнювали один одного. Змішавшись у розчині, вони з'єднуються між собою і самостійно збираються в наночастинки. Ці кульки були розміром з вірус і їх можна було програмувати шляхом простої зміни генетичного коду.

Коли вчені додали до них 20 шипів з білка респіраторно-синцитіального вірусу (РСВ), який є другою причиною дитячої смертності у світі, на тестах частинки показали вражаючу імунну відповідь. Логічно, подумали вчені. Чому б не використати цю ж технологію проти коронавірусу? Але тепер замість всього S-білка використовувати лише набір амінокислот?

Як бонус, білкові наночастинки будуть простими та швидкими у виробництві. У порівнянні з інактивованими вакцинами з вбитим вірусом. Вони також були б стабільні при кімнатній температурі зберігання, на відміну від мРНК вакцин (в першу чергу, це стосується Pfizer – 24). Ці мають лежати в сильній заморозці.

Більше про мРНК Вакцини від коронавірусу здатні на більше: великий бізнес та порятунок планети

Лексі Уоллс почала співпрацю з Брук Фіалою – фахівчиненою у галузі наночастинок. Вона працювала над своїм прототипом – сферою, яка відображає 60 копій RBD. Дійшло навіть до радикального: замість того, щоб виливати амінокислоти прямо на поверхню наночастинок, вчені пробували прив'язати частинки нитками з амінокислот. Такі собі повітряні змії.

Якщо достатньо часу погратися з RBD, можна дати змогу захисним силам організму уважно розглянути кожен кут і утворити антитіла, що атакують з різних сторін.

Експеримент всього життя

Тож коли запустили випробування з вакцинацією наночастинками мишей, ніхто не знав, що насправді станеться. Інші тварини отримали звичайні вакцини, які вже використовують. Після цього, у мишей взяли кров та змішали її з псевдовірусом SARS-CoV-2. Це штучна, невідтворювана копія вірусу, яку безпечніше використовувати в лабораторіях.

Ідея була в тому, щоб з`ясувати чи не буде в мишей антитіл проти і псевдовірусу теж. Уоллс довелося чекати до пізнього вечора п'ятниці, бо як вже зазначено, створення антитіл – процес довгий. Всі інші вже пішли додому, побажавши їй удачі. Весслер попросив зв'язатися з ним, як тільки вона отримає результати.

Уоллс запустила прилад, який міг виявляти та підраховувати антитіла, глибоко вдихнула і подивилась на цифри. Одним мишам дали малу дозу і це був провал: нуль реакції на псевдовірус. Тварини з великою дозою показували середній ефект нейтралізації та мали антитіла. Але ті миші, яким далі вакцину з наночастинок, повністю знесли лабораторну копію SARS-CoV-2!

Хвилюючись, Лексі написала повідомлення Весслеру: "ВОНИ НЕЙТРАЛІЗУЮТЬ!".Той відповів: "Нове покоління вакцин від коронавірусу вже в твоїх руках!" Втім, це був лише початок. Далі треба було довести, що вакцина-кандидат може вбивати живий вірус у миші, приматах та в людях. Вона увійшла у останню тестову фазу на початку 2021 року.

Нові вакцини з наночастинок можуть здійснити революцію / Графіка Genengnews.com

Щоб протестувати живий вірус, Лексі відправила мишей в Університет Північної Каліфорнії до одного з найкращих коронавірусних експертів у світі – Ральфа Баріча. Установа має достатній рівень біозахисту для роботи зі справжнім збудником. У червні 2020 року прийшла задовільна відповідь: "нейтралізуюча сила вакцини з наночастинками вища за все, що ми тестували. Миші повністю захищені, жодних ознак хвороби".

Лексі зуміла зменшити дозу в дев'ять разів, додати підсилюючу дозу і все одно отримати високі показники. У січні 2021 року, вакцина почала ранні клінічні випробування у Вашингтоні та Південній Кореї.

Так постала емблема епохи протеїнового дизайну. Технологія далеко за межами нашої уяви нарешті прибула. Тепер ми вчимося формувати те, з чого ми всі зроблені.

Загадки білків

Генетика трансформувала наше життя за останні десятиліття. Але всередині неї завжди була загадка: прості білки. Один ген це просто код, інструкція для створення протеїну. Всередині – набір з трьох нуклеотидів, представлених буквами. Нуклеотиди – органічні сполуки, беруть участь у процесах всередині клітини і є частинками нуклеїнових кислот ДНК та РНК.

Один триплет букв кодує лише одну амінокислоту, другий – іншу. Усього їх існує 20, клітина використовує їх для побудови білка. Кожна з них має унікальну структуру та функції. Хтось більш гнучкий, хтось – менш. Існують позитивно та негативно заряджені амінокислоти. Деяких приваблює вода, інших – ні.

Клітини постійно будують білки згідно точних інструкцій, які їм надає наш генетичний код. Форма білка, разом з зарядом, визначає функцію: що вони можуть робити, куди кріпитися, на що реагувати. Наприклад, руде волосся це набір білків, які призводять до такого пігменту (звісно, це також може статися через закони генетики – 24).

Або якщо ми кажемо, що у людини є ген раку молочної залози. Це означає мутацію в гені, через яку білок кодує неправильну амінокислоту. Це підсилює його дію аж до дійсно появи онкології. Розуміння методів складання білка може допомогти нам важкі хвороби та розробляти для них медикаменти.

Розумінню походження (етіології – 24) таких хвороб як муковисцидоз, Альцейгемер, Паркінсон, та Гантінгтон, які всі пов'язані з деформованими білками, це б теж посприяло. Певні генетичні послідовності ведуть до фізичних та психічних змін, але часто незрозуміло чому.

Нажаль, поки що дуже складно сказати, що відбувається у цьому наносвіті, навіть використовуючи потужні мікроскопи. Наразі нам відома структура лише 0,1% цих маленьких сполук. В усіх інших випадках ми здогадуємось, бо не маємо свого "Розеттського каменю" з перекладом з мови білків на нашу, людську.

Ми не знаємо, як білки правильно складаються і що йде не так, коли неправильно. Щоб отримати фото одного протеїну у високій якості потрібен рік і 120 тисяч доларів США. В теорії, має бути можливість передбачити остаточну структуру білка на основі генетичної послідовності. Журнал Science включив її у список наукових задач без розв'язку у 2005.

Втім, це можливо поки що лише для простих білків. Вчені вже знають, що якщо вони хочуть побудувати пряму спіраль(загальну структуру, що забезпечує стабільність), то вони можуть використати такі амінокислоти як лейцин, аланін та глутамат.

Що чекає взимку Грип та застуда можуть повернутися: чого чекати після COVID-19

Вони мають правильну криву, можуть взаємно доповнювати одна одну, щоб сформувати спіраль і щільно зв'язатися з іншими вище або нижче. Виглядає це як крокуюча пружина "слінкі". Якщо хочеться зробити петлю, то можна додати пролін. Вона не формує зв'язку та дозволяє спіралі відхилитися від неї.

Коли конкурс виграв штучний інтелект

Такими речами займаються структурні біологи. Як-от засновник Інституту дизайну протеїнів Девід Бейкер. Він зміг розгадати деякі базові правила. Цікаво, що програма, які пророкує як буде виглядати структура, називається… "Розетта". За її допомогою, команда Бейкера змогла створити маленькі білки, зазвичай розміром у кілька дюжин амінокислот.

Але звичайні білки у живих організмах набагато більші, місять тисячі амінокислот, кожна з яких пов'язана з багатьма сусідніми.

Зважаючи на близькість розташування, відносини можуть бути різними. Втім, зв'язок може бути і міцним як в діаманті. Вірогідність того чи іншого сценарію – астрономічна, а формули, щоб вирахувати фінальні структури поки за межами наших найкращих мізків та навіть суперкомп'ютерів.

Коли всі привозили вчених, Google привіз штучний інтелект / Графіка SempreUpdate

Звісно, така ситуація дуже довго викликала лише фрустрацію. У 1994 році, група обчислювальних біологів подумала, що дружні перегони їм не завадять (сьогодні, ми б назвали це "хакатоном" – 24). Групою керував Джон Молт з Університету Мериленду. Був запущений окремий конкурс. Молту надіслали детальні описи протеїнів, які ще не були оприлюднені.

Важлива тема Мозок під прицілом коронавірусу: сенсаційні дослідження вчених та етична дилема

Молт відправив ці послідовності дослідникам у лабораторії. Їхнім завданням було повернути свої найкращі ідеї, як могла виглядати фінальна сполука. Припущення оцінювались по схожості із фактичною структурою. А вона базувалась на основі відсотка молекул у потрібному місці.

Було три, так би сказати, призових місця:

• Базова архітектура – 50 балів;
• Кути та зв'язок між основними частинами – 70 балів;
• Демонстрація крихітних молекулярних ниток – 90+ балів;

Так конкурс і проходить щодвароки. Довго навіть найкращі команди не доходили навіть до "бронзи", маючи лише 20 з чимось балів. Максимум команди подолали у 2016 році, набравши 40 балів в середньому. Молт часто впадав у відчай, аж допоки у 2018 не почався новий, 13-ий конкурс. Коли 57 балів на білок пробив..штучний інтелект Google DeepMind.

А рік тому, ця програма надала точні прогнози білкової структури, вона набрала 92 бали...всюди! Найбільш прості сполуки мали майже всі атоми у вірному місці. На найбільш складних – де люди ледь набирали 20 з чимось балів – DeepMind набирав 80 з гаком!

Я ніколи не думав, що ми отримаємо такий рівень атомної точності. Це не просто розпізнавання, якимось "чужим" чином машина розуміє фізику і може підрахувати як розташувати атоми в амінокислоті,
– пояснив Джон Молт.

Після кількох ітерацій у різних місцях білкового ланцюга, DeepMind будує 3Д-модель точкової хмари, яка показує взаємовідносини між усіма складовими кожної з амінокислот. Оскільки все більше лабораторій використовують таку технологію, припущень щодо структури білків стає все більше.

Вчені упевнені – це зробить аналіз в цій галузі набагато ефективнішим. Втім, DeepMind взагалі-то не був створений для прикладної науки, тож внесок команди буде непрямим. "Вони показують силу розробки нових білків, але вони не вирішили проблему, коли білок треба спроєктувати, щоб врятувати життя", – пояснив SA лавреат Нобелівської премії у 2018 році Френсіс Арнольд.

"Розетта" проти COVID-19

Коли почалася пандемія, Бейкер розробив 3D-модель SARS-CoV-2 у своїй програмі "Розетта". Потім проаналізував на слабкі місця і теж знайшов рецепторно-зв'язуючий домен. Як і Уоллс, він теж ізолював його, щоб той не міг сховатися. Але замість вакцини, вирішив зробити кращі антитіла. Бейкер хотів зробити білок, який кріпився би на RBD як мікроскопічна липучка.

Проблема у тому, що антитіла теж не ідеальні. Організм не може виробити їх заздалегідь, особливо для чогось геть нового. Тому в бій йдуть кілька різних варіантів відразу. Коли загарбник дійсно з'являється, клітини імунної системи роблять безліч копій. Але не завжди антитіло ідеально "стикується" з вірусом (тут ми повертаємось до початку статті – 24).

Припасування може бути недостатньо щільним, щоб зупинити патоген. Природні антитіла – великі за мірками мікробіології сполуки. Не завжди вони можуть притулитися до вірусного RBD. Тож Бейкер розробляє штучні, синтетичні протеїни, де амінокислоти розробляються ледь не поштучно, щоб точно вже притулити домен до вірусу. Без усього зайвого процедура проходить легше.

Що найбільш важливо: вони вводяться без голок, через розприскування в ніс. Мроія Бейкера – створити не вакцину, а ліки, назальний спрей. Його можна використати при перших ознаках зараження або як щоденну профілактику. В'яжучі речовини залили б ніс і зупинили б домен перш ніж він до чогось прилип.

Завдяки довгому терміну зберігання та можливості "перекодувати" на кожного нового збудника, цей спрей став би незамінним серед лікарів, вчителів та всіх інших, хто зараз на передовій. І це разом вакциною Уоллс, захищатиме світ і від мутацій вірусів! Втім, це все теорія, а ліки ще потрібно було зробити.

Лонсінь Цао, докторант у Бейкера, який керував проєктом, знайшов на поверхні RBD локацію з позитивним зарядом, потім локацію з негативним зарядом, а також ще й гідрофобну (яка боїться води – 24). Потім зробив свій синтетичний білок з максимальною кількістю локацій. І прогнав кілька мільйонів разів через "Розетту".

Знайшлись три спіралі, об'єднані короткими амінокислотами. Кожен зв'язок це десь 60 амінокислот у довжину. Антитіло у 10 разів більше, шип коронавірусу – у 20 разів. Переведення з "Розетти" у реальний світ тепер легке, бо нитки ДНК вже можна надрукувати на пристроях, схожих на струменеві принтери.

Надруковані послідовності потім були вставлені в дріжджі, які "прокачували" ці маленькі білки разом зі своїми звичайними. Потім Цао збирав білки та аналізував їх. Штучні білки зв'язували вірус у шість разів краще ніж будь-яке антитіло (і будь-яка молекула на планеті). Десятки лабораторій вже теж вивчають, як мінібілки допомагають організму працювати та запобігати хворобам.

Де чатує небезпека

Дехто з вчених висловлює своє занепокоєння стрімким розвитком нових технологій. Вони вказують, що небезпека помилки дуже висока. Є пріони, які відповідають за нейродегенеративні захворювання. Наприклад, синдром Кройцфельда-Якоба або фатальне сімейне безсоння. Це неправильно складені білки, які призводять до неправильного розкладання інших білків, починаючи ланцюгову реакцію.

Їх можна доставити аерозолем, а отже – використати як зброю. Конвенція про біологічну зброю забороняє робити її з патогенів, але ніхто не подумав про поширення через білки. Правовий статус є важливим питанням, але для синтетичних протеїнів він поки що не визначений чітко.

"Поки що вони стоять доволі низько у списку проблем. У природі є набагато більш доступні та простійші методи нашкодити людям", – сказала Філіппа Ленцос, експертка з біозахисту з Лондонського королівського коледжу.

Епілог

Коронавірус SARS-CoV-2 продукує нові мутації, які можуть обходити захист з антитіл.

​Актуально Дельта варіант може змінити світ: чому доля людства залежить від удачі

Тож Лексі Уоллс знову почала працювати, створивши нову наночастинку. Вона була мозаїчною: частинка від RBD нинішнього вірусу, частинка – від оригінального SARS з 2000-х, ще дві – від інших коронавірусів. Такий широкий спектр викликав стійку відповідь антитіл проти всіх тестованих вірусів з цієї родини, включаючи невловимі варіанти.

Вакцина, ефективна проти різних варіантів вірусу, недорога, проста у зберіганні та виготовленні… Це звучить як фантастика, але саме це зараз потрібно світові. Ідея вже привернула увагу сильних світу фарми, як-то GSK Раппуолі. "Наша імунна система любить наночастинки. Це найкращий варіант".

Звідси небо є межею, сказав він у коментарі журналу Cell. "Дизайнерські молекули можуть відкрити нову еру", – упевнений він. Боротьба з кожною хворобою перетворюється на інженерну справу. І не лише в медицині, а і в інших галузях. Наприклад, надпровідники чи батареї. Або білки, які збирають світло та перетворюють його на енергію та паливо. Штучний фотосинтез!

З часом, нове гармонійно та елегантно замінить старе і нинішні природні амінокислоти, як-то інсулін, будуть вважатися чимось архаїчним.