Laboratoř Baker navrhuje proteázy pomocí AI, které štěpí proteiny spojené s nemocemi

Dva týmy z Institutu pro návrh proteinů při University of Washington publikovaly 14. října 2026 v časopise Nature články, v nichž představují proteázy navržené od základu výpočetními metodami. Tyto proteázy hydrolyzují polypeptidovou kostru na vybraných sekvencích, včetně míst v lidských proteinech spojených s nemocemi TDP-43, amyloidu-β a sérovém amyloidu A.

Amidové vazby, které spojují aminokyseliny podél peptidové kostry, jsou v neutrálním vodném roztoku stabilní po stovky let, protože jejich hydrolýze brání vysoká energetická bariéra. Jak uvádí článek o cysteinové proteáze, dosavadní úspěchy v návrhu enzymů de novo se z velké části omezovaly na modelové reakce s nízkou energetickou bariérou. Jedna studie vytvořila metaloproteázy na bázi zinku, druhá proteázy, které fungují prostřednictvím aktivovaného cysteinového nukleofilu. V obou článcích je jako korespondenční autor uveden David Baker a v obou je korespondenčním autorem také Donald Hilvert z ETH Zurich.

Postup návrhu metaloproteáz na bázi zinku

V článku Výpočetní návrh metaloproteáz popisují spoluprvní autoři Anqi Chen a Kejia Wu se svými kolegy využití metod RFdiffusion k návrhu proteinů, jejichž aktivní centra na bázi zinku aktivující vodu sousedí s vazebnou kapsou pro peptidový substrát. Podle článku katalyzovalo 36 % ze 135 testovaných návrhů štěpení příslušných peptidových substrátů v cílové štěpitelné vazbě. Nejlepší počáteční návrh urychlil hydrolýzu peptidové vazby oproti nekatalyzované reakci více než 10⁸krát. Čtyři substituce toto urychlení zvýšily na více než 10¹⁰násobek tím, že zlepšily předběžnou organizaci aktivního místa.

Proces tvorby návrhů spojil jedno kolo počáteční tvorby kostry podle motivu s návrhem sekvence a filtrováním pomocí AlphaFold 3. Následovala dvě kola zpřesňování částečnou difuzí s dalším návrhem sekvence a filtrováním a závěrečná iterace mezi návrhem sekvence a filtrováním pomocí AlphaFold 3. Při optimalizaci návrhu označeného Zn45 tým prověřil 378 variant s nasycenou mutací jedné pozice napříč 21 pozicemi aminokyselinových zbytků a 148 kombinatorických variant napříč šesti pozicemi. Výsledkem byla vylepšená varianta Zn45_v2, kterou charakterizovali měřením celkového počtu přeměn substrátu a kinetickými měřeními podle Michaelise a Mentenové.

Výzkumníci určili krystalové struktury návrhů včetně Zn5, TDPr3, ZnO7 a Zn48 a uložili je do Protein Data Bank pod přístupovými kódy 11CE, 11CM, 11CP, 11CR, 11CU, 11CY a 11DU. Výpočty s využitím strojově naučených silových polí zkoumaly aktivační energie kroku nukleofilního útoku u přirozené zinkové proteázy astacinu a návrhů ZnO7 a Zn45. Data a kód ke studii jsou dostupné na Zenodo.

Selektivní štěpení proteinů spojených s nemocemi

Článek o metaloproteázách představuje návrhy, které selektivně štěpí lidské proteiny spojené s nemocemi TDP-43, amyloid-β a sérový amyloid A, přičemž rychlost reakce zvyšují až 10⁹krát. Mezi konkrétní příklady patří TDPr3, zaměřená na TDP-43; SAAc8, zaměřená na sérový amyloid A v sekvenci SSRSFFSFLG; a AbetaF3, zaměřená na amyloid-β v sekvenci KGAIIGLMVG.

U proteinu TDP-43 autoři přepracovali existující konstrukci tak, aby štěpila protein v neuspořádané C-terminální doméně, která řídí fázovou separaci kapalina–kapalina a oligomerizaci, místo aby degradovala celý protein. Článek představuje tuto strategii jako způsob, jak ovlivnit toto fázové chování a oligomerizaci, aniž by se odstranily nezbytné jaderné funkce strukturovaných domén proteinu.

Tým dále navrhl uzamčené cytokiny a antagonisty receptorů, které navržené proteázy selektivně aktivují. Podle článku to umožňuje bioortogonální řízení buněčného stavu. Autoři uzavírají, že návrh de novo může vést k vysoce aktivním, programovatelným proteázám s potenciálním využitím v léčivech, biotechnologiích a bioremediaci.

V prohlášení o střetu zájmů se uvádí, že byly podány prozatímní patentové přihlášky 64/047,504 a 63/921,483 týkající se některých metod a návrhů. Jako vynálezci nebo přispěvatelé jsou v nich uvedeni Chen, Wu, Choi, Preetham Venkatesh, Samuel J. Pellock, Hilvert, Asim K. Bera a Baker.

Druhá rodina proteáz založená na cysteinu

Druhá studie, Návrh cysteinových proteáz de novo, jejímž prvním autorem je Hojae Choi, využila novou metodu hlubokého učení nazvanou RFD2-MI. Tu vyvinuli členové týmu Brian Coventry a Magnus S. Bauer a použili ji k návrhu enzymů, které prostřednictvím aktivovaného cysteinového nukleofilu hydrolyzují polypeptidovou kostru způsobem závislým na sekvenci. Studie uvádí 13 aktivních návrhů z 69 testovaných, tedy úspěšnost 19 %, přičemž rychlost reakce oproti reakci na pozadí vzrostla až 3 × 10⁷krát.

Navržené proteázy mají záhyby výrazně odlišné od záhybů přirozených proteáz, se skóre TM nižším než 0,50. Šest krystalových struktur se podle článku shoduje s modely návrhů s odchylkou odmocniny střední kvadratické hodnoty menší než 1,2 Å pro atomy Cα. Struktury byly uloženy do Protein Data Bank pod přístupovými kódy 9YNL, 9YNM, 9YOX, 9YOY, 9YOZ a 9YP0. Postup návrhu střídal tvorbu kostry pomocí RFD2-MI s návrhem sekvence pomocí ProteinMPNN a filtrováním pomocí AlphaFold 3.

V jednom kole přepracování proteázy jménem Dokki překonalo 24 z 89 vytvořených variant původní návrh; zlepšení rychlosti se pohybovalo od 1,2násobku do 31násobku a nejvýrazněji zlepšená varianta dostala označení Dokki-15. Navržené proteázy účinně štěpily své cíle v savčích buňkách, uvádí článek. Prokázala to reportérová zkouška v buňkách HeLa, která sledovala relokalizaci substrátu závislou na enzymu; jako kontroly posloužily katalyticky neaktivní mutanty. Experimentální a výpočetní analýzy autorů připisují přetrvávající rozdíl v aktivitě oproti nejaktivnějším přirozeným cysteinovým proteázám nedokonalostem v předorganizaci aktivního místa a polohování substrátu.

Historie publikace, financování a kód

Časopis Nature obdržel oba články 14. října 2025. Článek o cysteinové proteáze byl přijat 9. září 2026 a článek o metaloproteázách 15. září 2026. Starší verze vyšly v listopadu 2025 jako preprinty na bioRxiv; studie o cysteinové proteáze byla zveřejněna 22. listopadu 2025 a studie o metaloproteázách byla poprvé zveřejněna 21. listopadu 2025 a následně revidována až do čtvrté verze 27. září 2026.

V prohlášeních o financování jsou uvedeny Howard Hughes Medical Institute, Bill and Melinda Gates Foundation, Defense Threat Reduction Agency, National Science Foundation, National Institute of Allergy and Infectious Diseases a National Institute on Aging při National Institutes of Health, program APECx agentury Advanced Research Projects Agency for Health, The Audacious Project při Institute for Protein Design a Open Philanthropy Project, kromě dalších poskytovatelů financování. Kód pro návrh a analýzu studie o cysteinové proteáze je veřejně dostupný ve dvou repozitářích na GitHubu a autoři článku o cysteinové proteáze prohlásili, že nemají žádné konkurenční zájmy.