Kan endre proteinenes ryggrad

Danske forskere har løst et av de store problemene ved å lage designerproteiner.

Publisert
Danske forskere har løst et langvarig problem omkring proteiners ryggrad. Det kan bane vei for en bedre forståelse av proteiners funksjon og for nye medisiner. (Illustrasjonsfoto: iStockphoto)
Danske forskere har løst et langvarig problem omkring proteiners ryggrad. Det kan bane vei for en bedre forståelse av proteiners funksjon og for nye medisiner. (Illustrasjonsfoto: iStockphoto)

Fakta

Proteiner er store biologiske molekyler som er satt sammen av en lang rekke aminosyrer. Aminosyrenes rekkefølge, og måten proteinet er foldet omkring seg selv på, bestemmer proteinets funksjon.

Proteiner kan ha mange forskjellige funksjoner i kroppen. Noen proteiner fungerer som signalmolekyler, mens andre skaper struktur i celler. En helt tredje gruppe fungerer som enzymer, som setter gang i forskjellige prosesser i cellene.

Proteinene er også ansvarlige for kopieringen av hele cellens genom, før en celle deler seg, og så spiller de en viktig rolle i immunforsvaret. Det finnes i alt 20 aminosyrer som proteinene kan bygges av opp.

Det har lenge vært proteinkjemikernes største drøm å kunne designe proteiner til legemiddelindustrien eller til forskning.

Såkalt kjemisk syntese har bare gitt korte proteinstumper, mens biologisk produksjon begrenser proteinenes utforming til det som er biologisk mulig.

Nå har danske forskere vist at man med en avansert teknikk kan lage akkurat de proteinene man vil.

Ved å produsere den ene delen av proteinet i bakterier, syntetisere den andre delen og deretter lime sammen de to delene, har forskerne Søren W. Pedersen og  Kristian Strømgaard skapt proteiner med endringer i den viktige proteinryggraden, som forskerne kaller hovedkjeden.

Strømgaard forteller:

– Alle proteiner har denne ryggraden, og det er umulig å endre på den med konvensjonelle teknologier. Men det har vi nå gjort med denne teknikken, noe som skaper helt nye muligheter for å studere proteiner og lage legemidler. Det er virkelig spennende, sier han.

Kan kurere sykdommer

Kristian Strømgaards forskningsgruppe har vist at de kan endre måten proteinene binder seg til hverandre på.

Denne samhandlingen mellom proteiner, som ofte inngår i signalveiene i forskjellige sykdommer, har lenge vært et mål for legemiddelindustrien.

– I mange tilfeller kan proteiner designes til å erstatte et annet protein i signalveiene til ulike lidelser. Noen opplagte kandidater er hjerneblødninger, andre nevrologiske lidelser og kreft. Derfor er det viktig at vi nå kan studere og arbeide direkte med den delen av proteinene som er involvert i bindingen, sier Strømgaard.

Åpner opp for mer kunnskap

Den nye forskningen skaper også nye muligheter for å studere proteiner generelt.

Et av de beste verktøyene i studier av proteiner er modifikasjoner – å endre på dem for å se hvilke funksjoner ulike deler har.

– Når vi gjorde nesten ubetydelige endringer i proteinenes ryggrad, falt hele bindingsevnen fra hverandre. Proteinene kunne rett og slett ikke holde fast i hverandre mer. Det var overraskende at effekten var så stor ved en så liten endring. Det viser at designerproteiner er unike verktøy til å lære mer om proteiner generelt, sier Pedersen.

Limer sammen proteiner

Strømgaards forskningsgruppe har brukt en teknikk som opprinnelig ble funnet opp i 1998.

Teknikken krever at eksperter innen både biologisk proteindannelse og kjemisk proteinsyntese arbeider sammen i samme laboratorium, og den er derfor ikke veldig utbredt.

Men den løser et av proteindesignernes store problemer:

Når forskerne bruker den biologiske metoden, hvor de får bakterier til å lage proteinene, begrenses proteinene til de 20 biologiske aminosyrene. De kan ikke endre på hva som er biologisk, og ikke endre proteinenes ryggrad.

Hvis forskerne i stedet prøver å syntetisere seg ut av problemet, kan de lage alle tenkelige og utenkelige konstruksjoner. Men da er det praktisk talt umulig å lage proteiner som er over 50 aminosyrer lange. De fleste proteiner i naturen er mer enn dobbelt så lange.

– Her kombinerer vi de to teknikkene ved å la bakterier lage store deler og deretter lime på en syntetisert del med endringene vi vil ha, forklarer Strømgaard.

Modifiserte universal-proteiner

I studien har forskerne modifisert ryggraden i en proteinsekvens som er godt bevart på tvers av en lang rekke proteiner.

Mer enn 100 proteiner har denne såkalte PDZ-sekvensen. Den er interessant fordi den finnes i flere proteiner og har en sentral rolle i interaksjon mellom proteiner.

Det vil si at den ofte er involvert i signalveier – spesielt i nerveceller. Dessuten spiller sekvensen en rolle i forskjellige proteiner som hjelper cellene med å holde på strukturen sin.

– Ved å endre på ryggraden i PDZ-sekvensen kan vi få en dypere forståelse av den rollen sekvensen spiller i proteiner og hvorfor den finnes i både dyr, bakterier, sopp, gjær og virus, sier Kristian Strømgaard.

Forskerkollega er begeistret

Førsteamanuensis Ditlev Egeskov Brodersen fra Institut for Molekylærbiologi og Genetik på Aarhus Universitet har lest de nye resultatene. Han er begeistret og avviser ikke at han selv kunne finne på å bruke teknikken i sin egen forskning.

– Det er et svært interessant resultat. Det er absolutt ikke noe man bare gjør. De har imidlertid ikke vist at de kan gjøre det midt inne i et protein, men bare i enden av et, så det krever at den delen man vil studere, sitter der.

– Studien viser verdien på et nytt verktøy i den molekylærbiologiske verktøykassen. Det kunne være interessant for oss også hvis det blir lett tilgjengelig, sier Ditlev Egeskov Brodersen, som til daglig studerer nettopp de hydrogenbindingene som Kristian Strømgaards forskningsgruppe har endret på.

Referanse:

Søren W. Pedersen m.fl: Probing backbone hydrogen bonding in PDZ/ligand interactions by protein amide-to-ester mutations, Nature Communications, 2014, DOI: 10.1038/ncomms4215

© Videnskab.dk. Oversatt av Lars Nygaard for forskning.no.