Vývoj nové metody proteinového inženýrství zabodoval v prestižním časopisu Nature Communications

Metody proteinového inženýrství již dosáhly vysokého stupně spolehlivosti, což umožňuje navrhovat proteiny s vylepšenými užitnými vlastnostmi, jako je aktivita a stabilita.

„Aktivita proteinu je jeho zamýšlená funkce, která spočívá například v usnadnění, úpravě či přímo umožnění konkrétní chemické reakce. Stabilita je vlastnost, která zajišťuje neměnnost podoby a patří k hlavním omezením využití proteinů například v biomedicínských technologií,“ vysvětlil vedoucí pracoviště Strukturní biologie Loschmidtových laboratoří RECETOX Přírodovědecké fakulty MU Martin Marek.

Naprostá většina dostupných postupů používaných v současné době k návrhu proteinů pracuje se statickými (tedy neměnnými) strukturami proteinů. Biomolekuly, mezi které patří i proteiny, však nejsou statické, ale dynamické a pro některé jejich vlastnosti je zohlednění dynamiky naprosto nezbytné.

„Dynamikou proteinu rozumíme například změnu jejich tvaru a nabývání specifických konformačních stavů, které jsou klíčové pro biokatalýzu. Proto je žádoucí, a dokonce nezbytné, rozšířit portfolio metod přípravy proteinů a vyvinout nové metody inženýrství dynamických proteinů,“ uvedl Martin Marek.

Vývoji zmíněné nové metody se věnovali vědci Loschmidtových laboratoří RECETOX Přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity a Mezinárodního centra klinického výzkumu ICRC-FNUSA ve spolupráci s Masarykovým onkologickým ústavem, Univerzitou Cambridge a Univerzitou Greifswald. „Mezioborový přístup a vzájemná synergie výzkumných skupin byly v tomto výzkumu klíčové,“ dodává Lenka Hernychová z Masarykova onkologického ústavu, jejíž tým zmapoval dynamické vlastnosti nově zkonstruovaných biokatalyzátorů pomocí pokročilých metod hmotnostní spektrometrie.    

Výstupem šestiletého výzkumného projektu je nová platforma kombinující experimentální a počítačové přístupy racionálního designu dynamických proteinů. „Racionálním designem rozumíme systematickou a iterativní přípravu založenou na hledání optimální struktury, a tedy i funkce, konkrétního proteinu. Vyvinutá platforma otevírá zcela nové možnosti v designu proteinových molekul s unikátními vlastnostmi,“ říká další spoluautor této studie z Loschmidtových laboratoří Martin Toul.

Platforma byla následně využita při vývoji proteinu luciferázy, která patří mezi nejpoužívanější diagnostické systémy v molekulární a buněčné biologii. Luciferáza je protein, který urychluje chemickou reakci způsobující vyzařování světla u některých suchozemských, ale zejména pak u mořských organismů.

Tento jev se nazývá bioluminiscence a je způsoben specifickou chemickou reakcí probíhající v živém organismu, při které se přebytečná energie uvolňuje ve formě světla. V biomedicíně je bioluminiscence využívána například pro diagnostiku a studium rakovinového bujení.

„Luciferáza má ovšem i některá omezení, která její využití v biomedicíně znesnadňují. Jde například o to, že vznikající světlo uvolňuje formou kratších záblesků. Pro řadu praktických aplikací je vhodnější dlouhotrvající stabilní světelný signál, tedy nepřerušované světlo,“ vysvětlil Martin Marek.

Díky nově vzniklé metodě vědci upravili dynamiku proteinu luciferázy do takové míry, že změnili charakter světelného signálu ze zábleskového v sekundách na stabilní záření v minutách. Upravená luciferáza může najít široké uplatnění v biomedicínském výzkumu i biotechnologických aplikacích. „Vysoce inovativní potenciál tohoto výzkumu byl rozpoznán Centrem pro transfer technologií MU, které nyní začíná poskytovat finanční podporu na další rozvoj a komercializaci této bioluminiscenční technologie prostřednictvím grantového nástroje TAČR GAMA2,“ uzavírá strukturní biolog Martin Marek.