Учёные спроектировали с помощью ИИ ферменты, ускоряющие разрыв пептидной связи в 10¹⁰ раз

В лаборатории Дэвида Бейкера в Вашингтонском университете с помощью искусственного интеллекта создали искусственные протеазы — ферменты, которые разрезают белок в строго заданном месте. Один из вариантов ускорил разрыв нужной химической связи в 10 миллиардов раз по сравнению с фоновым уровнем реакции. Отдельно команда сделала ферменты, действующие на белки, связанные с нейродегенеративными заболеваниями.

Пептидные связи, соединяющие аминокислоты в белковой цепочке, в воде без ферментов могут держаться сотни лет. Протеазы разрывают их, причём каждый фермент узнаёт свой участок. Задача была в том, чтобы проектировать такие катализаторы под конкретную последовательность аминокислот.

Как проектировали ферменты

Работали двумя инструментами. RFdiffusion2 строил каркас белковой структуры с учётом расположения аминокислот, нужных для реакции, и места будущего разреза. Затем ProteinMPNN подбирал аминокислоты, которые обеспечат правильное сворачивание белка, работу активного центра и связывание с целевой молекулой. Полученные структуры оценивали в AlphaFold3. Основой послужили протеазы двух природных типов: цинковая из пищеварительной системы рака и цистеиновая из дрожжей.

Почему структуры оказалось мало

Первые результаты показали: правильно сложенной структуры для работающего фермента недостаточно. Из 69 вариантов цистеиновой протеазы активными оказались 13 — около 19%. Цинковые конструкции поначалу часто работали слабо. Частично проблему решили, задав положение молекулы воды, участвующей в реакции: активность проявили 35 вариантов из 38, спроектированных таким способом.

Дальше учёные меняли аминокислоты рядом с активным центром, которые в катализе напрямую не участвуют. Часть замен заметно подняла эффективность. Лучшая цистеиновая протеаза ускоряла разрыв пептидной связи в 10⁹ раз, сохраняя высокую избирательность к заданной последовательности. Улучшенная цинковая протеаза стала в 30 раз активнее исходной конструкции и ускоряла реакцию в 10¹⁰ раз. Скорость при этом не гарантировала точности: один из самых активных цинковых вариантов разрезал белки недостаточно избирательно.

Отдельной проверкой стали цинковые протеазы, нацеленные на белки, связанные с болезнью Альцгеймера и лобно-височной деменцией. Один фермент разрезал заданный белок в клетках.

Что мешает применению в медицине

Препятствий несколько. Белки трудно доставлять в нужные ткани и клетки, а сами ферменты могут вызывать иммунный ответ. Если мишень внутри клетки, может понадобиться доставка генетической инструкции, чтобы клетка производила протеазу сама. Нынешние ИИ-инструменты хорошо проектируют структуру, но не позволяют напрямую задать нужную каталитическую активность.

Работа показывает, что искусственные ферменты можно создавать под конкретные молекулярные мишени. Эффективность и пригодность таких конструкций для лечения ещё предстоит улучшать и проверять.