Белок — это основа жизни. Он меняет форму, взаимодействуя с другими молекулами, и благодаря этому сокращаются мышцы, улавливается свет или извлекается энергия из пищи. Но, несмотря на прогресс в создании искусственных белков с помощью ИИ, до сих пор не удавалось повторить эту ключевую особенность — способность двигаться.

Ученые из Калифорнийского университета в Сан-Франциско (UCSF) впервые разработали белки, которые могут менять форму, как природные. Это открывает новые возможности в медицине, сельском хозяйстве и экологии.

Наше исследование — только первый шаг, но потенциал огромен, — говорит Таня Кортэмме, профессор биоинженерии и ведущий автор работы, опубликованной в журнале Science.

До сих пор ученые создавали только статичные белки — без подвижных частей. Такие белки используют в моющих средствах, искусственном инсулине, препаратах для снижения веса (например, GLP-1) и противораковой терапии. Но они не могут сравниться с естественными белками, которые работают как переключатели: меняют форму, выполняют задачу и возвращаются в исходное состояние.

Именно такие белки регулируют обмен веществ, деление клеток и другие жизненно важные процессы. Они — мишень для трети всех одобренных FDA лекарств. Однако создать их искусственно было крайне сложно — не хватало вычислительных мощностей и точных алгоритмов.

Аспирантка Эми Го начала с малого: взяла простой природный белок и добавила ему подвижность. Она смоделировала участок, который изгибается и связывается с кальцием — так работает множество естественных белков. Затем с помощью AlphaFold2 создала две стабильные формы: одну — активную (связанную с кальцием), другую — неактивную.

Когда мы увидели, что модель работает в симуляции именно так, как задумано, это было потрясающе, — вспоминает Го. Эксперимент подтвердил и Марк Келли, химик из UCSF, который визуализировал атомы белка с помощью ЯМР.

Где это пригодится

• Медицина: датчики, меняющие форму при болезни, или персонализированные лекарства.
• Экология: белки, разлагающие пластик или помогающие растениям пережить засуху.
• Материалы: самовосстанавливающиеся металлы.

Возможности — безграничны, — заключает Го.

Этот прорыв выводит белковую инженерию на новый уровень. Раньше мы могли создавать только «статичные» инструменты — как ножницы, которые режут, но не складываются. Теперь у нас есть „швейцарские ножи“ — белки, адаптирующиеся под задачу. В медицине это позволит разрабатывать более точные лекарства, в экологии — эффективные биокатализаторы, в агротехнике — культуры, устойчивые к стрессам. Главное — метод универсален: его можно применять к любым белкам, расширяя их функционал.

Пока речь идет о простейшем движении — связывании с кальцием. Настоящие природные белки выполняют куда более сложные трансформации. Кроме того, непонятно, как такие искусственные белки поведут себя в живых системах: не вызовут ли иммунный ответ или непредсказуемые взаимодействия.

Ранее ученые выяснили, как белки связаны с делением клеток.