15:00 
Международная исследовательская группа под руководством корейского ученого преуспела в разработке крупномасштабных белковых структур, которые точно воспроизводят принципы самосборки, обнаруженные в природных вирусах, с использованием искусственного интеллекта (ИИ).
Министерство науки и информационных технологий (MSIT) объявило, что профессор Сангмин Ли с факультета химической инженерии Пхоханского университета науки и технологий (POSTECH) в сотрудничестве с профессором Дэвидом Бейкером из Вашингтонского университета (получатель лауреат Нобелевской премии по химии 2024 года) разработал принцип проектирования, позволяющий одному белковому компоненту одновременно образовывать пятиугольные и гексагональные структуры и самособираться в вирусоподобные структуры.
Это исследование, проведенное при поддержке программ MSIT, было опубликовано в Nature — самом престижном академическом журнале в мире — в полночь по корейскому времени в четверг, 21 мая.
Белковые наноклетки: самый многообещающий препарат нового поколения платформа доставки
Протеиновые наноклетки стали наиболее многообещающим материалом в биомедицинской области для доставки лекарств следующего поколения. Это полые структуры нанометрового (нм) масштаба, образующиеся в результате спонтанного связывания нескольких белков. Они могут стабильно переносить лекарства, генетический материал и ферменты внутри своего внутреннего пространства, в то время как антигены могут быть прикреплены к их внешней оболочке.
Однако существующие технологии проектирования во многом зависели от полученных с помощью вычислений «идеальных симметричных структур», что серьезно ограничивает размер и сложность структур, достижимых из одного строительного блока белка.
Репликация природного проекта: квазисимметрия
Напротив, вирусы, обнаруженные в природе, используют один тип белка повторяется сотни и тысячи раз, тонко регулируя положение и местное окружение каждого белка для создания массивных оболочек. Этот принцип известен как квазисимметрия, и данное исследование успешно реализовало этот сложный природный принцип при создании искусственных белков.
Исследовательская группа признала, что ключ к увеличению размера вирусной оболочки лежит в углах и кривизне между строительными блоками белка. Когда белки расположены слишком плоско, оболочка не закрывается; когда кривизна слишком велика, структура становится слишком маленькой. Точно спроектировав этот баланс, команда заставила один белок одновременно занимать как пятиугольную, так и гексагональную среду в зависимости от его положения в сборке.
Для достижения этого в качестве основного строительного блока использовалась тримерная единица — кластер из трех белков, а для создания новых соединительных структур использовалась RFdiffusion — инструмент генерации белковых структур на основе искусственного интеллекта. Подобно укладке взаимосвязанных строительных блоков под разными углами, этот подход позволил белкам соединяться вместе в разных ориентациях, образуя массивную куполообразную оболочку, а не плоский лист.
Экспериментальная проверка с помощью криоэлектронной микроскопии
Команда создала разработанные искусственные белки с использованием E. coli и наблюдала за их морфологией с помощью современной криоэлектронной микроскопии. Результаты подтвердили, что белки самопроизвольно собираются в сферические оболочки размером от минимум 70 нм до максимум 220 нм. Самая маленькая структура приняла форму сложного «нано-футбольного мяча», а самая большая была более чем в три раза больше.
Значение и перспективы на будущее
Это исследование привлекло значительное внимание научного сообщества, поскольку оно не перепрофилировало существующие вирусные белки, а вместо этого использовало один искусственный белок, полностью разработанный ИИ, для свободного создания больших вирусоподобных структур. Ожидается, что в случае коммерциализации эта технология обеспечит революционные применения во всей биомедицинской области, включая системы целевой доставки лекарств и генетического материала, а также платформы для презентации вакцинных антигенов. Последующие исследования также запланированы для достижения более единообразного контроля размера с использованием внутренних каркасных белков или нуклеиновых кислот в качестве матриц.
Кроме того, соответствующее исследование искусственных белковых структур, проведенное профессором Бейкером и профессором Сангмином Ли в качестве соавтора, было опубликовано в журнале Nature в тот же день.
Это делает профессора Сангмина Ли автором одной статьи и соавтором другой, опубликованной одновременно в передовом научном журнале мира. журнал — замечательное и редкое достижение.
Комментарии исследователей
Вирусы являются лучшим примером в природе, показывающим, что идеальная симметрия — не единственный путь к сложной молекулярной архитектуре».
Профессор Сангмин Ли из POSTECH
Он объяснил, что точно так же, как тонкие изменения угла между молекулярными плитками могут превратить плоскую плоскость в массивный купол, это исследование показывает, что точный контроль геометрии локальных белковых блоков позволяет осуществлять точную настройку контролировать размер и форму окончательной сборки.
Сун-Су Ким, генеральный директор по политике в области исследований и разработок в MSIT, описал, что «это достижение является замечательной демонстрацией фундаментальных исследовательских возможностей мирового уровня ведущего корейского ученого, реализованных в сотрудничестве с нобелевским лауреатом».
