Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Франциско (UCSF) совершили прорыв в области белкового инжиниринга, научившись создавать искусственные белки, способные менять свою форму подобно природным. Это открывает новые горизонты для медицины, сельского хозяйства и экологии.

Белки — ключевые молекулы жизни, которые могут изменять свою структуру при взаимодействии с другими веществами. Благодаря этим изменениям происходят такие процессы, как сокращение мышц, восприятие света и получение энергии из пищи. Хотя учёные уже давно конструируют искусственные белки, до сих пор им удавалось создавать только жёсткие, не способные к движению структуры.

Теперь же команда под руководством профессора биоэнергетики Тани Кортемме впервые продемонстрировала, что возможно проектировать белки, обладающие динамичностью, характерной для природных молекул. Эта способность позволит разрабатывать новые методы лечения болезней, очищать окружающую среду и повышать урожайность сельскохозяйственных культур.

«Это только начало пути, который приведёт нас далеко за пределы медицины — к новым решениям для сельского хозяйства и экологии», — отмечает Тания Кортемме. Исследование финансировалось Национальными институтами здравоохранения США.

Создание подвижных белков долгое время было недостижимой задачей из-за ограниченных вычислительных ресурсов. Однако с развитием искусственного интеллекта, в частности благодаря программе AlphaFold2, учёные получили инструменты для моделирования сложных изменений формы белков.

Аспирантка Эми Го начала с попытки добавить к простому природному белку новый способ движения — участок, который может связываться с кальцием и менять свою структуру. Она создала виртуальную библиотеку тысяч возможных форм этого белка и выбрала две стабильные: одну, способную связывать кальций, и другую — нет. Используя AlphaFold2, Го смоделировала, как белок закручивается для захвата кальция и возвращается к исходной форме при его освобождении.

Экспериментальные проверки с помощью ядерного магнитного резонанса подтвердили, что модель работает именно так, как ожидали исследователи. Это стало важным подтверждением успешности подхода.

Динамические белки могут быть использованы для создания биосенсоров, которые меняют форму при появлении признаков болезни, или для разработки лекарств, учитывающих индивидуальные особенности организма. Кроме того, подобные белки могут помочь разлагать пластик, защищать растения от засухи и вредителей, а в будущем даже создавать материалы, способные самовосстанавливаться после повреждений, например, металл, который сам заделывает трещины.

«Возможности действительно безграничны», — говорит Эми Го.