KI-Tools helfen dabei, enzymatische Mechanismen von Lasso-Peptiden aufzudecken

Lasso-Peptide sind natürliche Produkte, die von Bakterien hergestellt werden. Ihre ungewöhnliche Lassoform verleiht ihnen eine bemerkenswerte Stabilität und schützt sie vor extremen Bedingungen. In einer neuen Studie, veröffentlicht in Naturchemie BiologieDie Forscher bauten und testeten Modelle, die erklären, wie diese Peptide hergestellt werden, und zeigten, wie diese Informationen genutzt werden könnten, um Lasso-Peptid-Medikamente in die klinische Entwicklung zu bringen.

„Lasso-Peptide sind interessant, weil es sich um lineare Moleküle handelt, die zu einer Schlingenform verbunden wurden“, sagte Susanna Barrett (MMG), Absolventin des Mitchell-Labors. „Aufgrund ihrer unglaublichen Stabilität und Einfallsreichtum haben sie ein großes therapeutisches Potenzial. Es wurde auch gezeigt, dass sie antibakterielle, antivirale und krebsbekämpfende Eigenschaften haben. »

Lasso-Peptide sind Moleküle, die von Ribosomen synthetisiert und posttranslational modifiziert werden. Peptidketten entstehen durch die Verknüpfung von Aminosäuren zu einer Kette, was durch das Ribosom bewerkstelligt wird. Zwei Enzyme, eine Peptidase und eine Cyclase, arbeiten dann zusammen, um ein lineares Vorläuferpeptid in die charakteristische geknotete Lasso-Struktur umzuwandeln. Seit ihrer Entdeckung vor mehr als drei Jahrzehnten versuchen Wissenschaftler zu verstehen, wie Cyclase das Lasso-Peptid faltet.

„Eine der größten Herausforderungen bei der Lösung dieses Problems besteht darin, dass Enzyme schwierig zu verwenden sind. Sie sind normalerweise unlöslich oder inaktiv, wenn man versucht, sie zu reinigen“, sagte Barrett.

Ein seltenes Gegenbeispiel ist FusC oder FusC, das das Mitchell-Labor 2019 charakterisierte. Ehemaligen Mitgliedern der Gruppe gelang es, das Enzym zu reinigen, und seitdem dient es als Modell für das Verständnis des Lasso-Knotenprozesses. Dennoch bleibt die Struktur von FusC unbekannt, sodass es unmöglich ist zu verstehen, wie die Cyclase mit dem Peptid interagiert, um den Knoten zu falten.

In der aktuellen Studie nutzte die Gruppe das künstliche Intelligenzprogramm AlphaFold, um die Struktur des FusC-Proteins vorherzusagen. Sie nutzten die Struktur und andere auf künstlicher Intelligenz basierende Werkzeuge wie RODEO, um Reste im aktiven Zentrum der Cyclase zu identifizieren, die für die Interaktion mit dem Lasso-Peptidsubstrat wichtig sind.

„FusC besteht aus etwa 600 Aminosäuren und das aktive Zentrum enthält 120. Diese Programme waren für unser Projekt von wesentlicher Bedeutung, da sie es uns ermöglichten, „Strukturstudien“ durchzuführen und zu bestimmen, welche Aminosäuren im aktiven Zentrum des Enzyms wichtig sind.“ sagte Barrett.

Sie verwendeten auch Molekulardynamiksimulationen, um rechnerisch zu verstehen, wie das Lasso durch die Cyclase gefaltet wird. „Mit der Rechenleistung von Folding@home konnten wir umfangreiche Simulationsdaten sammeln, um Wechselwirkungen auf atomarer Ebene zu visualisieren“, sagte Song Yin, ein Doktorand im Shukla-Labor. „Vor dieser Studie gab es keine MD-Simulationen der Wechselwirkungen zwischen Lasso-Peptiden und Cyclasen, und wir glauben, dass dieser Ansatz auf viele andere Peptid-Engineering-Studien anwendbar sein wird.“ »

Durch ihre rechnerischen Bemühungen entdeckten die Forscher, dass unter den verschiedenen Cyclasen der Rückwandbereich des aktiven Zentrums für die Faltung besonders wichtig zu sein schien. In FusC entsprach dies der Helix-11-Region. Anschließend führten die Forscher eine zellfreie Biosynthese durch, bei der sie alle zur Synthese der Lasso-Peptide erforderlichen Zellkomponenten in ein Reagenzglas mit Enzymvarianten gaben, die unterschiedliche Aminosäuren in der Helix-11-Region aufwiesen Schließlich identifizierten sie eine Version von FusC mit einer Mutation auf Helix 11, die Lassopeptide falten konnte, die von der ursprünglichen Cyclase nicht hergestellt werden konnten. Diese Daten bestätigen das Lasso-Peptid-Faltungsmodell, das die Forscher mit ihren rechnerischen Ansätzen entwickelt haben.

„Wie Enzyme einen Lassoknoten bilden, ist eine faszinierende Frage. „Diese Studie liefert einen ersten Einblick in die biophysikalischen Wechselwirkungen, die für die Entstehung dieser einzigartigen Struktur verantwortlich sind“, sagte Diwakar Shukla, außerordentlicher Professor für Chemie- und Biomolekulartechnik.

„Wir haben auch gezeigt, dass diese molekularen Kontakte in mehreren verschiedenen Cyclasen in verschiedenen Phyla gleich sind. Obwohl wir nicht alle Systeme getestet haben, glauben wir, dass es sich um ein verallgemeinerbares Modell handelt“, sagte Barrett.

In Zusammenarbeit mit Lassogen aus San Diego zeigten die Forscher, dass die neuen Erkenntnisse die Cyclase-Technik zur Erzeugung von Lasso-Peptiden unterstützen können, die anders nicht hergestellt werden könnten. Um das Konzept zu beweisen, entwickelten sie eine weitere Cyclase namens McjC, um effizient einen wirksamen Inhibitor eines krebsfördernden Integrins herzustellen.

„Die Fähigkeit, eine Vielfalt von Lasso-Peptiden zu erzeugen, ist wichtig für die Arzneimitteloptimierung“, sagte Mark Burk, CEO von Lassogen. „Die Enzyme der Natur ermöglichen es uns nicht immer, die Lasso-Peptide zu produzieren, an denen wir interessiert sind, und die Fähigkeit, Lasso-Cyclasen zu entwickeln, erweitert den therapeutischen Nutzen dieser erstaunlichen Moleküle erheblich. »

„Unsere Arbeit wäre ohne den Zugang zu leistungsstarken Computerwerkzeugen und den jüngsten Fortschritten in der künstlichen Intelligenz und zellfreien Biosynthesemethoden nicht möglich gewesen“, sagte Douglas Mitchell, Professor für Chemie bei John und Margaret Witt. „Diese Arbeit ist ein außergewöhnliches Beispiel dafür, wie interdisziplinäre Zusammenarbeit am Carl R. Woese Institute for Genomic Biology katalysiert wird. Ich bin dem IGB MMG Theme und unseren externen Kollegen bei Lassogen für ihre Beteiligung an der Lösung dieses komplexen Problems dankbar. »