Ученые из МФТИ разработали новый подход для превращения мембранных белков в растворимые с помощью нейронных сетей. Мембранные белки отвечают за «общение» живой клетки с окружающей средой, и теперь их станет легче изучать, в том числе находить действующие на них лекарства. Результаты работы опубликованы в журнале Chemical Science (входит в Nature Index).
В основе жизнедеятельности всех окружающих нас живых существ лежат специальные молекулы — белки. Среди белков можно выделить два основных класса: так называемые растворимые — те, которые могут свободно перемещаться внутри или снаружи клетки и останутся в растворе, если клетка разрушится, и мембранные — те, которые находятся в оболочках, окружающих клетку или ее органеллы. С мембранными белками гораздо сложнее работать, но при этом зачастую и важнее: они отвечают за перенос веществ внутрь клетки и обратно, передачу сигналов и многое другое. В том числе из-за этого они являются мишенями многих лекарств.
У ученых есть несколько подходов для упрощения работы с мембранными белками, которые чаще всего основываются на использовании поверхностно активных веществ: они обволакивают мембранный белок, а иногда и часть мембраны вокруг него, и делают его растворимым. Такой подход требует значительных усилий и зачастую приводит к выпадению белка в осадок — в буквальном смысле — и потере им своих свойств. Но есть и альтернатива: получение растворимого аналога через изменение самого гена, кодирующего мембранный белок. В целом подобные подходы, называемые белковой инженерией, были удостоены Нобелевской премии по химии в 2024 году. Однако для некоторых задач, в том числе при работе с мембранными белками, инженерия белков пока остается скорее искусством, чем технологией.
Биофизики Центра исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ много работают с мембранными белками — например, человеческими рецепторами и ионными насосами. Поиск возможностей упростить процесс изучения мембранных белков — одна из целей исследований. В работе, опубликованной в журнале Chemical Science, они показали, что можно достаточно простым способом скомбинировать специальную графовую нейронную сеть, ProteinMPNN, с моделированием методом молекулярной динамики, чтобы предсказать последовательности возможных растворимых аналогов мембранных белков. Искусственные растворимые варианты для одного из самых известных мембранных белков, бактериородопсина, полученные учеными, оказались функциональными и весьма удобными в работе. Более того, эти белки стали первым примером разработки аналога мембранного белка, который бы сохранил активный сайт, находившийся внутри мембранной части, и активность которого была бы однозначно подтверждена при помощи спектроскопии и рентгеновской кристаллографии.
Иллюстрация: Применение нейронной сети позволяет превратить природный мембранный белок (слева) в искусственный растворимый (справа). Зеленым показаны гидрофобные (нерастворимые в воде) аминокислоты, а красным и синим — полярные и заряженные аминокислоты. Источник: Chemical Science.
«Белковая инженерия развивается невероятно быстро, и было очень интересно попробовать применить в ней свои силы, особенно работая над задачами, которые ранее не удалось решить Нобелевским лауреатам. Теперь, когда этот проект закончен, планируем развивать методы дальше», — говорит Андрей Николаев, ведущий автор работы, аспирант Физтех-школы физики и исследований им. Ландау.
Разработанный подход далее может быть применен сразу в нескольких важных проектах. Так, разработка растворимых аналогов человеческих рецепторов должна позволить ускорить поиск новых лекарственных средств, так как их легче использовать для высокопроизводительного скрининга. С другой стороны, аналоги фотоактивных мембранных белков могут лечь в основу новых молекулярных инструментов для клеточной биологии. Инженерия же белков в целом способствует развитию биотехнологий — применению биомолекул, ферментов и микроорганизмов в сельскохозяйственной, пищевой, фармацевтической и других промышленностях.
«Наш Центр давно занимается применением методов молекулярной биофизики к биологическим молекулам, к которым все чаще присоединяются и подходы белковой инженерии, и синтетической биологии. А то, что работа использует нейронные сети, выполнена в физико-техническом институте и опубликована в журнале с названием Chemical Science — “Химическая наука” — подчеркивает мультидисциплинарность и сложность современных исследований», — замечает Иван Гущин, руководитель проекта, заведующий лабораторией структурного анализа и инжиниринга мембранных систем Центра исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ.
__________________
Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ и Российского научного фонда (проект 21-64-00018).
Научная статья: Andrey Nikolaev, Yaroslav Orlov, Fedor Tsybrov, Elizaveta Kuznetsova, Pavel Shishkin, Alexander Kuzmin, Anatolii Mikhailov, Yulia S. Nikolaeva, Arina Anuchina, Igor Chizhov, Oleg Semenov, Ivan Kapranov, Valentin Borshchevskiy, Alina Remeeva and Ivan Gushchin; Engineering of soluble bacteriorhodopsin; Chemical Science 2025, https://doi.org/10.1039/D5SC02453F
