פפטידי לאסו הם מוצרים טבעיים המיוצרים על ידי חיידקים. צורת הלאסו יוצאת הדופן שלהם מעניקה להם יציבות יוצאת דופן, ומגינה עליהם מפני תנאים קיצוניים. במחקר חדש, שפורסם ב ביולוגיה כימית של הטבעחוקרים בנו ובדקו מודלים לאופן שבו הפפטידים הללו נוצרים והדגימו כיצד ניתן להשתמש במידע זה כדי לקדם תרופות מבוססות פפטידים לאסו למרפאה.
פפטידי לאסו מעניינים מכיוון שהם בעצם מולקולות ליניאריות שנקשרו לצורה דמוית קשר החלקה. בשל היציבות והיכולת המדהימה שלהם, יש להם פוטנציאל רב כתרופות. הם גם הוכחו כבעלי תכונות אנטיבקטריאליות, אנטי-ויראליות ואנטי-סרטניות".
סוזנה בארט, סטודנטית לתואר שני במעבדת מיטשל (MMG)
פפטידי לאסו הם מולקולות מסונתזות באופן ריבוזומי ומשונות לאחר תרגום. שרשראות הפפטידים נוצרות מחיבור של חומצות אמינו יחד בצורת מיתר, מה שנעשה על ידי הריבוזום. שני אנזימים, פפטידאז וציקלאז, משתפים פעולה כדי להמיר פפטיד מבשר ליניארי למבנה הלאסו המסוקס הייחודי. מאז גילוים לפני יותר משלושה עשורים, מדענים ניסו להבין כיצד הציקלאז מקפל את פפטיד הלאסו.
"אחד האתגרים העיקריים בפתרון בעיה זו היה שקשה לעבוד איתם את האנזימים. הם בדרך כלל בלתי מסיסים או לא פעילים כאשר מנסים לטהר אותם", אמר בארט.
אחת הדוגמאות הנגדיות נדירות היא fusilassin cyclase, או FusC, שאפיינה מעבדת מיטשל בשנת 2019. חברי הקבוצה לשעבר הצליחו לטהר את האנזים, ומאז הוא משמש מודל להבנת תהליך קשירת קשרי הלאסו. עם זאת, המבנה של FusC נותר לא ידוע, מה שלא מאפשר להבין כיצד הציקלאז מקיים אינטראקציה עם הפפטיד כדי לקפל את הקשר.
במחקר הנוכחי, הקבוצה השתמשה בתוכנית הבינה המלאכותית AlphaFold כדי לחזות את מבנה החלבון FusC. הם השתמשו במבנה ובכלים אחרים המבוססים על בינה מלאכותית, כמו RODEO, כדי לאתר אילו שיירי אתר פעילים של ציקלאז היו חשובים לאינטראקציה עם מצע הפפטיד לאסו.
"FusC מורכב מכ-600 חומצות אמינו והאתר הפעיל מכיל 120. תוכניות אלו היו עזר לפרויקט שלנו כי הן אפשרו לנו לעשות 'מחקרים מבניים' ולצמצם אילו חומצות אמינו חשובות באתר הפעיל של האנזים, "אמר בארט.
הם השתמשו גם בסימולציות של דינמיקה מולקולרית כדי להבין באופן חישובי כיצד הלאסו מקופל על ידי הציקלאז. "הודות לכוח המחשוב של Folding@home, הצלחנו לאסוף נתוני סימולציה נרחבים כדי להמחיש את האינטראקציות ברמה האטומית", אמר סונג ין, סטודנט לתואר שני במעבדת Shukla. "לפני מחקר זה, לא היו סימולציות MD של האינטראקציות בין פפטידים לאסו וציקלאזים, ואנו חושבים שגישה זו תהיה ישימה למחקרים רבים אחרים בהנדסת פפטידים."
מהמאמצים החישוביים שלהם, החוקרים מצאו שבין מחזורים שונים, נראה היה שאזור הקיר האחורי של האתר הפעיל חשוב במיוחד לקיפול. ב-FusC, זה התאים לאזור הליקס 11. לאחר מכן החוקרים ביצעו ביו-סינתזה נטולת תאים שבה הוסיפו את כל מרכיבי התא הנחוצים לסינתזה של פפטידי הלאסו למבחנה עם גרסאות אנזימים שהיו להן חומצות אמינו שונות באזור הליקס 11. בסופו של דבר, הם זיהו גרסה של FusC עם מוטציה על סליל 11 שיכולה לקפל פפטידים לאסו שלא ניתן ליצור על ידי הציקלאז המקורי. נתונים אלה מאששים את המודל לקיפול פפטיד לאסו שפיתחו החוקרים עם הגישות החישוביות שלהם.
"איך אנזימים קושרים קשר לאסו היא שאלה מרתקת. מחקר זה מספק הצצה ראשונה לאינטראקציות הביו-פיזיקליות האחראיות לייצור המבנה הייחודי הזה", אמר דיוואקר שוקלה, פרופסור חבר להנדסה כימית וביו-מולקולרית.
"הראינו גם שהמגעים המולקולריים האלה זהים בכמה מחזורים שונים על פני פילות שונות. למרות שלא בדקנו כל מערכת, אנחנו מאמינים שזהו מודל שניתן להכללה", אמר בארט.
בשיתוף פעולה עם חברת Lassogen שבסיסה בסן דייגו, החוקרים הראו שהתובנות החדשות יכולות להנחות הנדסת cyclase ליצירת פפטידים לאסו שלא ניתן ליצור אחרת. כהוכחה לקונספט, הם הנדסו ציקלאז אחר, הנקרא McjC, כדי לייצר ביעילות מעכב חזק של אינטגרין מעודד סרטן.
"היכולת ליצור מגוון פפטידי לאסו חשובה לאופטימיזציה של תרופות", אמר מארק בורק, מנכ"ל Lassogen. "האנזימים מהטבע לא תמיד מאפשרים לנו לייצר את פפטידי הלאסו המעניינים והיכולת להנדס ציקלאזים לאסו מרחיבה מאוד את התועלת הטיפולית של מולקולות מדהימות אלו".
"העבודה שלנו לא הייתה אפשרית ללא גישה למחשוב רב עוצמה ולהתקדמות עדכנית בבינה מלאכותית ושיטות ביוסינתטיות נטולות תאים", אמר דאגלס מיטשל, פרופסור לכימיה ג'ון ומרגרט וויט. "עבודה זו היא דוגמה יוצאת דופן לאופן שבו שיתופי פעולה בין-תחומיים מזורזים במכון Carl R. Woese לביולוגיה גנומית. אני אסיר תודה לנושא ה-MMG ב-IGB ולעמיתינו החיצוניים בלסוגן על השתתפותם בפתרון הבעיה המסובכת הזו".
ניתן למצוא את המחקר "אינטראקציות מצע מדריכות הנדסת cyclase וגיוון פפטיד לאסו" בכתובת https://doi.org/10.1038/s41589-024-01727-w ומומן על ידי המכון הלאומי לבריאות, הקרן הלאומית למדע, ו אוניברסיטת אילינוי אורבנה-שמפיין. מיטשל וברק הם המייסדים של לאסוגן.
