Το Baker Lab σχεδιάζει πρωτεάσες τεχνητής νοημοσύνης που διασπούν πρωτεΐνες συνδεδεμένες με ασθένειες

Δύο ομάδες του Ινστιτούτου Σχεδιασμού Πρωτεϊνών του University of Washington δημοσίευσαν στις 14 Οκτωβρίου 2026 άρθρα στο Nature, στα οποία παρουσιάζουν πρωτεάσες σχεδιασμένες εξαρχής με υπολογιστικές μεθόδους, οι οποίες υδρολύουν τον πολυπεπτιδικό σκελετό σε επιλεγμένες αλληλουχίες, μεταξύ άλλων σε θέσεις των ανθρώπινων πρωτεϊνών TDP-43, αμυλοειδούς-β και αμυλοειδούς Α του ορού, που σχετίζονται με ασθένειες.

Οι αμιδικοί δεσμοί που συνδέουν τα αμινοξέα κατά μήκος του πεπτιδικού σκελετού παραμένουν σταθεροί για εκατοντάδες χρόνια σε ουδέτερο υδατικό διάλυμα, λόγω του υψηλού ενεργειακού φραγμού της υδρόλυσης. Όπως αναφέρει η μελέτη για τις πρωτεάσες κυστεΐνης, έως τότε η επιτυχία στον de novo σχεδιασμό ενζύμων περιοριζόταν σε μεγάλο βαθμό σε πρότυπες αντιδράσεις με χαμηλό ενεργειακό φραγμό. Η μία μελέτη παρήγαγε μεταλλοπρωτεάσες με βάση τον ψευδάργυρο· η άλλη, πρωτεάσες που λειτουργούν μέσω ενός ενεργοποιημένου πυρηνόφιλου κυστεΐνης. Και στα δύο άρθρα αναφέρεται ο David Baker ως συγγραφέας αλληλογραφίας, ενώ ο Donald Hilvert του ETH Zurich είναι συγγραφέας αλληλογραφίας και στα δύο.

Μια πλατφόρμα σχεδιασμού μεταλλοπρωτεασών με βάση τον ψευδάργυρο

Στο Υπολογιστικός σχεδιασμός μεταλλοπρωτεασών, οι συν-πρώτοι συγγραφείς Anqi Chen και Kejia Wu και οι συνεργάτες τους περιγράφουν τη χρήση μεθόδων RFdiffusion για τον σχεδιασμό πρωτεϊνών με ενεργά κέντρα βασισμένα στον ψευδάργυρο, τα οποία ενεργοποιούν το νερό και βρίσκονται δίπλα σε θύλακα πρόσδεσης πεπτιδικού υποστρώματος. Από τα 135 σχέδια που δοκιμάστηκαν, το 36% κατέλυσε, όπως αναφέρει το άρθρο, τη διάσπαση των αντίστοιχων πεπτιδικών υποστρωμάτων τους στον στοχευμένο δεσμό που υφίσταται διάσπαση. Το καλύτερο αρχικό σχέδιο επιτάχυνε την υδρόλυση πεπτιδικών δεσμών περισσότερο από 10⁸ φορές σε σύγκριση με την αντίδραση χωρίς κατάλυση, ενώ τέσσερις αντικαταστάσεις αύξησαν την επιτάχυνση σε περισσότερο από 10¹⁰ φορές, βελτιώνοντας την προοργάνωση του ενεργού κέντρου, σύμφωνα με το άρθρο.

Η διαδικασία παραγωγής συνδύασε έναν αρχικό γύρο δημιουργίας σκελετών με βάση μοτίβα, σχεδιασμό αλληλουχίας και φιλτράρισμα με το AlphaFold 3, ακολουθούμενο από δύο γύρους βελτίωσης μέσω μερικής διάχυσης, με περαιτέρω σχεδιασμό αλληλουχίας και φιλτράρισμα, και μια τελική επανάληψη σχεδιασμού αλληλουχίας και φιλτραρίσματος με το AlphaFold 3. Για να βελτιστοποιήσει ένα σχέδιο με την ονομασία Zn45, η ομάδα εξέτασε 378 παραλλαγές κορεσμού μίας θέσης σε 21 θέσεις καταλοίπων και 148 συνδυαστικές παραλλαγές σε έξι θέσεις. Έτσι προέκυψε η βελτιωμένη παραλλαγή Zn45_v2, η οποία χαρακτηρίστηκε με μετρήσεις του συνολικού αριθμού καταλυτικών κύκλων και κινητικές μετρήσεις Michaelis–Menten.

Οι ερευνητές προσδιόρισαν κρυσταλλικές δομές σχεδίων, μεταξύ των οποίων τα Zn5, TDPr3, ZnO7 και Zn48, και τις κατέθεσαν στην Protein Data Bank με κωδικούς καταχώρισης 11CE, 11CM, 11CP, 11CR, 11CU, 11CY και 11DU. Υπολογισμοί με πεδία δυνάμεων που εκπαιδεύτηκαν με μηχανική μάθηση εξέτασαν τις ενέργειες ενεργοποίησης για το στάδιο της πυρηνόφιλης επίθεσης στη φυσική πρωτεάση ψευδαργύρου αστακίνη και στα σχέδια ZnO7 και Zn45. Τα δεδομένα και ο κώδικας της μελέτης είναι διαθέσιμα στο Zenodo.

Επιλεκτική διάσπαση πρωτεϊνών που σχετίζονται με ασθένειες

Το άρθρο για τις μεταλλοπρωτεάσες παρουσιάζει σχέδια που διασπούν επιλεκτικά τις ανθρώπινες πρωτεΐνες TDP-43, αμυλοειδές-β και αμυλοειδές Α του ορού, οι οποίες σχετίζονται με ασθένειες, με αύξηση του ρυθμού έως και 10⁹ φορές. Στα συγκεκριμένα παραδείγματα περιλαμβάνονται το TDPr3, που στοχεύει την TDP-43· το SAAc8, που στοχεύει το αμυλοειδές Α του ορού στην αλληλουχία SSRSFFSFLG· και το AbetaF3, που στοχεύει το αμυλοειδές-β στην αλληλουχία KGAIIGLMVG.

Για την TDP-43, οι συγγραφείς επανασχεδίασαν έναν υπάρχοντα σκελετό ώστε να διασπά ένα σημείο μέσα στην άτακτη C-τελική περιοχή της πρωτεΐνης, η οποία ρυθμίζει τον διαχωρισμό φάσεων υγρού-υγρού και τον ολιγομερισμό, αντί να αποδομεί ολόκληρη την πρωτεΐνη. Το άρθρο παρουσιάζει αυτή τη στρατηγική ως τρόπο ρύθμισης της συμπεριφοράς της ως προς τον διαχωρισμό φάσεων και του ολιγομερισμού, χωρίς να καταργούνται οι απαραίτητες πυρηνικές λειτουργίες των δομημένων περιοχών της πρωτεΐνης.

Η ομάδα σχεδίασε επίσης κυτοκίνες σε καλυμμένη, ανενεργή μορφή και ανταγωνιστές υποδοχέων, τους οποίους οι σχεδιασμένες πρωτεάσες ενεργοποιούν επιλεκτικά. Το άρθρο αναφέρει ότι αυτό επιτρέπει τον βιοορθογώνιο έλεγχο της κυτταρικής κατάστασης. Οι συγγραφείς καταλήγουν ότι ο de novo σχεδιασμός μπορεί να οδηγήσει σε ιδιαίτερα δραστικές, προγραμματιζόμενες πρωτεάσες με πιθανές εφαρμογές στη θεραπευτική, τη βιοτεχνολογία και τη βιοαποκατάσταση.

Η δήλωση σύγκρουσης συμφερόντων αναφέρει ότι έχουν κατατεθεί προσωρινές αιτήσεις διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας με αριθμούς 64/047,504 και 63/921,483, οι οποίες αφορούν πτυχές των μεθόδων και των σχεδίων, και κατονομάζει τους Chen, Wu, Choi, Preetham Venkatesh, Samuel J. Pellock, Hilvert, Asim K. Bera και Baker ως εφευρέτες ή συντελεστές.

Μια δεύτερη οικογένεια πρωτεασών με βάση την κυστεΐνη

Η δεύτερη μελέτη, De novo σχεδιασμός πρωτεασών κυστεΐνης, με πρώτο συγγραφέα τον Hojae Choi, χρησιμοποίησε μια νέα μέθοδο βαθιάς μάθησης με την ονομασία RFD2-MI —την οποία ανέπτυξαν τα μέλη της ομάδας Brian Coventry και Magnus S. Bauer— για να σχεδιάσει ένζυμα που χρησιμοποιούν ένα ενεργοποιημένο πυρηνόφιλο κυστεΐνης, ώστε να υδρολύουν τον πολυπεπτιδικό σκελετό με τρόπο εξαρτώμενο από την αλληλουχία. Το άρθρο αναφέρει ότι 13 από τα 69 σχέδια που δοκιμάστηκαν ήταν ενεργά, δηλαδή ποσοστό επιτυχίας 19%, με αύξηση του ρυθμού έως και 3 × 10⁷ φορές σε σχέση με την αντίδραση υποβάθρου.

Οι σχεδιασμένες πρωτεάσες υιοθετούν αναδιπλώσεις πολύ διαφορετικές από εκείνες των φυσικών πρωτεασών, με βαθμολογία TM κάτω από 0.50. Όπως αναφέρει το άρθρο, έξι κρυσταλλικές δομές αντιστοιχούν στα μοντέλα σχεδιασμού με απόκλιση ρίζας μέσου τετραγώνου (RMSD) για τα Cα μικρότερη από 1.2 Å. Οι δομές κατατέθηκαν στην Protein Data Bank με κωδικούς καταχώρισης 9YNL, 9YNM, 9YOX, 9YOY, 9YOZ και 9YP0. Η πλατφόρμα σχεδιασμού εναλλασσόταν μεταξύ της δημιουργίας σκελετών με το RFD2-MI, του σχεδιασμού αλληλουχιών με το ProteinMPNN και του φιλτραρίσματος με το AlphaFold 3.

Σε έναν γύρο επανασχεδιασμού που εφαρμόστηκε σε μια πρωτεάση με την ονομασία Dokki, 24 από τις 89 παραλλαγές που δημιουργήθηκαν υπερείχαν του αρχικού σχεδιασμού, με βελτιώσεις στον ρυθμό που κυμαίνονταν από 1,2 έως 31 φορές· η παραλλαγή με τη μεγαλύτερη βελτίωση ονομάστηκε Dokki-15. Σύμφωνα με τη δημοσίευση, οι σχεδιασμένες πρωτεάσες διέσπασαν αποτελεσματικά τους στόχους τους σε κύτταρα θηλαστικών, όπως έδειξε δοκιμασία με γονιδιακό αναφορέα σε κύτταρα HeLa, η οποία παρακολουθούσε την επανατοποθέτηση υποστρώματος που εξαρτάται από το ένζυμο, με καταλυτικά ανενεργές μεταλλάξεις ως μάρτυρες. Οι πειραματικές και υπολογιστικές αναλύσεις των συγγραφέων αποδίδουν το εναπομένον χάσμα δραστικότητας σε σύγκριση με τις πιο δραστικές φυσικές πρωτεάσες κυστεΐνης σε ατέλειες στην προοργάνωση της ενεργού θέσης και στην τοποθέτηση του υποστρώματος.

Ιστορικό δημοσίευσης, χρηματοδότηση και κώδικας

Το Nature παρέλαβε και τις δύο εργασίες στις 14 Οκτωβρίου 2025· η εργασία για τις πρωτεάσες κυστεΐνης έγινε δεκτή στις 9 Σεπτεμβρίου 2026 και εκείνη για τις μεταλλοπρωτεάσες στις 15 Σεπτεμβρίου 2026. Προγενέστερες εκδόσεις δημοσιεύτηκαν ως προδημοσιεύσεις στο bioRxiv τον Νοέμβριο του 2025, με τη μελέτη για τις πρωτεάσες κυστεΐνης να αναρτάται στις 22 Νοεμβρίου 2025 και τη μελέτη για τις μεταλλοπρωτεάσες να αναρτάται αρχικά στις 21 Νοεμβρίου 2025 και να αναθεωρείται έως την τέταρτη έκδοση, στις 27 Σεπτεμβρίου 2026.

Στις δηλώσεις χρηματοδότησης αναφέρονται, μεταξύ άλλων, το Howard Hughes Medical Institute, το Bill and Melinda Gates Foundation, η Defense Threat Reduction Agency, το National Science Foundation, τα National Institute of Allergy and Infectious Diseases και National Institute on Aging του National Institutes of Health, το πρόγραμμα APECx της Advanced Research Projects Agency for Health, το The Audacious Project στο Institute for Protein Design και το Open Philanthropy Project. Ο κώδικας σχεδιασμού και ανάλυσης για τη μελέτη των πρωτεασών κυστεΐνης διατίθεται δημόσια σε δύο αποθετήρια GitHub, ενώ οι συγγραφείς της εργασίας για τις πρωτεάσες κυστεΐνης δήλωσαν ότι δεν έχουν ανταγωνιστικά συμφέροντα.