Überblick
Computergestütztes Proteindesign ist die Umkehrung der Strukturvorhersage: Anstatt eine Struktur aus einer Sequenz vorherzusagen, sucht es nach Sequenzen, die sich in eine vorgegebene Zielstruktur mit gewünschten funktionellen Eigenschaften falten. Der Designprozess optimiert gleichzeitig eine große Anzahl von Sequenz- und Konformationsvariablen, um die Faltungsstabilität, Bindungsaffinität, katalytische Aktivität oder andere angestrebte Eigenschaften zu maximieren. Jüngste Fortschritte im tiefen Lernen und in der Monte-Carlo-Optimierung haben den Umfang des De-novo-Proteindesigns dramatisch erweitert und die Erstellung neuartiger Faltungen, funktioneller Enzyme und proteinbasierter Therapeutika ermöglicht.
Methoden
Das Design erfolgt in iterativen Zyklen der Sequenzauswahl und Strukturbewertung. Die Rotamer-Bibliothek zählt diskrete Seitenkettenkonformationen auf, und eine Potentialenergiefunktion (typischerweise ein Molekülmechanik-Kraftfeld mit Solvatations- und statistischen Termen) bewertet jeden Kandidaten. Der Dead-End-Elimination-Algorithmus entfernt nachweislich Rotamere, die nicht an der globalen Minimumsenergiekonformation teilnehmen können. Protein-Sprachmodelle und diffusionsbasierte generative Modelle ermöglichen jetzt die Sequenzgestaltung, die auf Rückgratkoordinaten konditioniert ist, und erzeugen vielfältige und experimentell exprimierbare Proteine.
Anwendungen
Computergestütztes Design hat neue Enzyme für die industrielle Biokatalyse, stabile Proteingerüste für die Impfstoffpräsentation und hochaffine Binder für diagnostische oder therapeutische Anwendungen hervorgebracht. Die designten Proteine werden mittels ortsgerichteter Mutagenese exprimiert und charakterisiert, um die computergestützten Vorhersagen zu validieren und zu verfeinern. Der Ansatz stützt sich auf detaillierte Kenntnisse der Proteinstruktur und der Aminosäuren, um das Zielrückgrat festzulegen und Sequenz-Struktur-Kompatibilitäten zu modellieren. Erkenntnisse aus der Proteinfaltung und Chaperonen leiten ferner das Design von Proteinen, die sich zuverlässig falten und in zellulären Umgebungen stabil bleiben.
