Investigadors utilitzen la IA per dissenyar proteïnes que tallen altres proteïnes

Una proteïna és una cadena d'aminoàcids units pel que s'anomenen enllaços peptídics. Per si mateixos, aquests enllaços són extremadament estables; s'estima que tenen una semivida de diversos centenars d'anys. Però a l'entorn de la Terra, la majoria de proteïnes no duren pas tant de temps. Això es deu al fet que els organismes han desenvolupat diversos mètodes per catalitzar la ruptura dels enllaços peptídics, que s'han diversificat en innombrables enzims especialitzats en la digestió de proteïnes. Les proteases són a tot arreu i generalment descomponen ràpidament qualsevol proteïna que arribi al medi ambient.

Ara, els investigadors han fet una drecera en aquest procés de diversificació mitjançant eines de disseny de proteïnes basades en IA per extreure el nucli catalític de dos tipus de proteasa i substituir tota la resta de la proteïna. Els enzims resultants es podrien ajustar per tallar proteïnes específiques per la meitat, i els investigadors en van demostrar l'eficàcia utilitzant-los per tallar proteïnes associades a malalties neurològiques.

L'enllaç peptídic bàsic no té una aparença especialment interessant: és el que s'obté quan s'uneix un grup amino a un àcid, alliberant una molècula d'aigua en el procés. Com el seu nom indica, els aminoàcids tenen tant un grup amino com un d'àcid, cosa que els permet formar enllaços peptídics a dos costats de l'aminoàcid. Això és fonamental per formar les llargues cadenes que es troben a les proteïnes. (Els aminoàcids també tenen cadenes laterals amb una química distintiva, cosa que dona a l'esquelet propietats específiques.)

Rompre aquests enllaços simplement inverteix el procés en separar l'enllaç peptídic i una molècula d'aigua, i vincular-ne les parts. Com que ambdós components són químicament estables, la reacció requereix un enzim perquè es produeixi amb certa freqüència. Sense un enzim, un enllaç peptídic típic seria estable durant centenars d'anys en aigua.

La vida ha desenvolupat un grapat de mecanismes enzimàtics que gestionen aquesta catàlisi. La recerca en qüestió es va basar en dos de diferents. Un és una zinc proteasa, on la càrrega positiva de l'àtom de zinc coordina l'enllaç peptídic que s'està trencant, parts clau de la proteasa i una molècula d'aigua. La proteasa extreu parcialment un protó de la molècula d'aigua i l'activa per atacar i trencar l'enllaç peptídic.

La segona proteasa que utilitzen els investigadors s'anomena cisteïna proteasa. En aquest cas, una cisteïna (un dels aminoàcids) de l'enzim s'activa per atacar l'enllaç peptídic, creant un intermediari temporal on una part de la proteïna que s'està tallant s'enllaça químicament a l'enzim. Finalment, una molècula d'aigua trenca aquest intermediari i allibera la segona part de la proteïna tallada.

Tots dos mecanismes requereixen que un grapat d'aminoàcids específics de la proteasa estiguin situats a prop dins del centre catalític de la proteasa. Altres aminoàcids de la proteasa ajuden a garantir que aquests aminoàcids catalítics clau s'uneixin al lloc correcte amb l'orientació correcta. La resta de la proteasa també pot imposar un cert grau d'especificitat sobre quines proteïnes es tallen.