Baker Lab designer AI-proteaser, der kløver sygdomsrelaterede proteiner

To forskerhold ved University of Washingtons Institute for Protein Design offentliggjorde den 14. oktober 2026 artikler i Nature, hvor de beskrev proteaser, der var designet fra bunden ved hjælp af beregningsmetoder til at hydrolysere polypeptidrygraden ved udvalgte sekvenser, herunder steder i de sygdomsrelaterede humane proteiner TDP-43, amyloid-β og serumamyloid A.

Amidbindingerne, der forbinder aminosyrerne langs peptidrygraden, er stabile i hundredvis af år i neutral vandig opløsning på grund af den høje energibarriere for hydrolyse, og hidtil har succes med de novo-design af enzymer stort set været begrænset til modelreaktioner med lav energibarriere, står der i artiklen om cysteinproteaser. Den ene undersøgelse frembragte zinkbaserede metalloproteaser; den anden frembragte proteaser, der virker gennem en aktiveret cysteinnukleofil. David Baker er anført som korresponderende forfatter på begge artikler, og Donald Hilvert fra ETH Zurich er korresponderende forfatter på dem begge.

En designproces til zinkbaserede metalloproteaser

I Beregningsmæssigt design af metalloproteaser beskriver førsteforfatterne Anqi Chen og Kejia Wu samt deres kolleger, hvordan de brugte RFdiffusion-metoder til at designe proteiner med zinkbaserede aktive centre, der aktiverer vand, ved siden af en bindingslomme til peptidsubstratet. Ifølge artiklen katalyserede 36 % af de 135 afprøvede designs kløvning af deres tilsvarende peptidsubstrater ved den tilsigtede kløvningsbinding. Det bedste indledende design øgede hastigheden af peptidbindingshydrolysen med mere end 10⁸ gange i forhold til den ukatalyserede reaktion, og ifølge artiklen øgede fire substitutioner denne hastighedsforøgelse til mere end 10¹⁰ gange ved at forbedre præorganiseringen af det aktive center.

Genereringsprocessen kombinerede én runde indledende generering af en rygrad med et stillads omkring et motiv med sekvensdesign og filtrering med AlphaFold 3, efterfulgt af to runder med forfining ved delvis diffusion, yderligere sekvensdesign og filtrering samt en sidste iteration med sekvensdesign og filtrering med AlphaFold 3. For at optimere et design ved navn Zn45 undersøgte holdet 378 mætningsvarianter med én ændring på tværs af 21 aminosyrerester og 148 kombinatoriske varianter på tværs af seks positioner. Det resulterede i en forbedret variant, Zn45_v2, som blev karakteriseret ved målinger af samlet omsætningstal og Michaelis-Menten-kinetik.

Forskerne bestemte krystalstrukturer for blandt andre designene Zn5, TDPr3, ZnO7 og Zn48 og deponerede dem i Protein Data Bank under adgangskoderne 11CE, 11CM, 11CP, 11CR, 11CU, 11CY og 11DU. Beregninger med maskinlærte kraftfelter undersøgte aktiveringsenergierne for trinnet med nukleofilt angreb i den naturlige zinkprotease astacin og i designene ZnO7 og Zn45. Undersøgelsens data og kode er tilgængelige på Zenodo.

Selektiv kløvning af sygdomsrelaterede proteiner

Artiklen om metalloproteaser beskriver designs, der selektivt kløver de sygdomsrelaterede humane proteiner TDP-43, amyloid-β og serumamyloid A med hastighedsforøgelser på op til 10⁹ gange. Blandt de navngivne eksempler er TDPr3, der er rettet mod TDP-43; SAAc8, der er rettet mod serumamyloid A ved sekvensen SSRSFFSFLG; og AbetaF3, der er rettet mod amyloid-β ved sekvensen KGAIIGLMVG.

For TDP-43 redesignede forfatterne et eksisterende stillads, så det kløver proteinet i dets uordnede C-terminale domæne, som styrer væske-væske-faseseparation og oligomerisering, i stedet for at nedbryde proteinet i fuld længde. Artiklen præsenterer strategien som en måde at regulere denne faseadfærd og oligomerisering på uden at eliminere de essentielle nukleare funktioner i proteinets strukturerede domæner.

Holdet designede desuden indkapslede cytokiner og receptorantagonister, som de designede proteaser selektivt aktiverer. Ifølge artiklen gør dette det muligt at styre cellers tilstand bioortogonalt. Forfatterne konkluderer, at de novo-design kan frembringe meget aktive, programmerbare proteaser med potentielle anvendelser inden for lægemiddeludvikling, bioteknologi og bioremediering.

En erklæring om interessekonflikter oplyser, at der er indgivet foreløbige patentansøgninger med numrene 64/047,504 og 63/921,483 vedrørende aspekter af metoderne og designene. Chen, Wu, Choi, Preetham Venkatesh, Samuel J. Pellock, Hilvert, Asim K. Bera og Baker er anført som opfindere eller bidragydere.

En anden proteasefamilie baseret på cystein

I den anden undersøgelse, De novo-design af cysteinproteaser, brugte førsteforfatter Hojae Choi en ny metode inden for dyb læring kaldet RFD2-MI, udviklet af holdmedlemmerne Brian Coventry og Magnus S. Bauer, til at designe enzymer, der bruger en aktiveret cysteinnukleofil til at hydrolysere polypeptidrygraden på sekvensafhængig vis. Artiklen rapporterer, at 13 af de 69 afprøvede designs var aktive, svarende til en succesrate på 19 %, og at hastighedsforøgelserne i forhold til baggrundsreaktionen var på op til 3 × 10⁷.

De designede proteaser har foldninger, der adskiller sig markant fra naturlige proteasers, med en TM-score under 0,50, og ifølge artiklen stemmer seks krystalstrukturer overens med designmodellerne inden for en kvadratrod af middelkvadratisk afvigelse for Cα på under 1,2 Å. Strukturerne blev deponeret i Protein Data Bank under adgangskoderne 9YNL, 9YNM, 9YOX, 9YOY, 9YOZ og 9YP0. Designprocessen vekslede mellem generering af rygrader med RFD2-MI, sekvensdesign med ProteinMPNN og filtrering med AlphaFold 3.

I en redesignrunde af en protease ved navn Dokki klarede 24 af 89 genererede varianter sig bedre end det oprindelige design, med hastighedsforbedringer på mellem 1,2 og 31 gange, og den variant, der viste den største forbedring, blev betegnet Dokki-15. De designede proteaser kløvede effektivt deres mål i pattedyrceller, fremgår det af artiklen. Det blev påvist i HeLa-celler ved hjælp af en reportertest, der fulgte enzymafhængig relokalisering af substratet, med katalytisk inaktive mutanter som kontrol. Forfatternes eksperimentelle og beregningsmæssige analyser tilskriver den resterende forskel i aktivitet sammenlignet med de mest aktive naturlige cysteinproteaser mangler i præorganiseringen af det aktive sted og i substratpositioneringen.

Publikationshistorik, finansiering og kode

Nature modtog begge artikler den 14. oktober 2025. Artiklen om cysteinproteasen blev accepteret den 9. september 2026, og artiklen om metalloproteaserne blev accepteret den 15. september 2026. Tidligere versioner blev offentliggjort som bioRxiv-fortryk i november 2025, hvor studiet af cysteinproteasen blev lagt ud den 22. november 2025, og studiet af metalloproteaserne først blev lagt ud den 21. november 2025 og derefter revideret frem til en fjerde version den 27. september 2026.

Finansieringsoplysningerne nævner Howard Hughes Medical Institute, Bill and Melinda Gates Foundation, Defense Threat Reduction Agency, National Science Foundation, National Institutes of Healths National Institute of Allergy and Infectious Diseases og National Institute on Aging, APECx-programmet under Advanced Research Projects Agency for Health, The Audacious Project ved Institute for Protein Design og Open Philanthropy Project samt andre finansieringskilder. Koden til design og analyse for studiet af cysteinproteasen er offentligt tilgængelig i to GitHub-repositorier, og forfatterne til artiklen om cysteinproteasen oplyste, at de ikke havde konkurrerende interesser.