Baker Lab suunnittelee tekoälyproteaseja, jotka pilkkovat sairauksiin liittyviä proteiineja

Kaksi University of Washingtonin proteiinisuunnittelun instituutin tutkimusryhmää julkaisi Nature-lehdessä 14. lokakuuta 2026 tutkimukset, joissa raportoitiin tietokonemenetelmillä alusta asti suunnitelluista proteaaseista. Ne hydrolysoivat polypeptidirunkoa valituista sekvensseistä, myös ihmisen sairauksiin liittyvissä proteiineissa TDP-43, amyloidi-β ja seerumin amyloidi A.

Peptidirungon aminohappoja yhdistävät amidisidokset säilyvät neutraalissa vesiliuoksessa satoja vuosia, koska niiden hydrolysoitumiseen liittyy korkea energiaeste. Kysteiiniproteaaseja käsittelevässä tutkimuksessa todetaan, että aiemmin uuden entsyymin suunnittelussa oli onnistuttu lähinnä reaktioissa, joiden energiaeste on matala. Toisessa tutkimuksessa tuotettiin sinkkipohjaisia metalloproteaaseja, toisessa taas proteaaseja, jotka toimivat aktivoidun kysteiininukleofiilin avulla. Molemmissa tutkimuksissa David Baker on merkitty vastaavaksi kirjoittajaksi, ja molemmissa vastaavana kirjoittajana on myös Donald Hilvert ETH Zürichistä.

Sinkkipohjaisten metalloproteaasien suunnitteluprosessi

Tutkimuksessa Metalloproteaasien laskennallinen suunnittelu ensimmäiset kirjoittajat Anqi Chen ja Kejia Wu kollegoineen kuvaavat, miten he käyttivät RFdiffusion-menetelmiä proteiinien suunnitteluun. Proteiineihin suunniteltiin sinkkipohjaisia aktiivisia keskuksia, jotka aktivoivat vettä ja sijaitsevat peptidisubstraatin sitoutumistaskun vieressä. Tutkimuksen mukaan testatuista 135 suunnitelmasta 36 % katalysoi vastaavien peptidisubstraattiensa pilkkoutumista kohdennetusta katkeamiskohdasta. Paras alkuperäinen suunnitelma nopeutti peptidisidoksen hydrolyysiä yli 10⁸-kertaiseksi katalysoimattomaan reaktioon verrattuna. Tutkimuksen mukaan neljä aminohappomuutosta kasvatti nopeutuksen yli 10¹⁰-kertaiseksi tehostamalla aktiivisen keskuksen esijärjestäytymistä.

Suunnitteluprosessissa yhdistettiin yksi alkuvaiheen kierros, jossa tuotettiin runkoja motiivien pohjalta, suunniteltiin sekvenssit ja suodatettiin ehdokkaat AlphaFold 3:lla. Tätä seurasi kaksi osittaisen diffuusion hienosäätökierrosta, joihin sisältyi uusi sekvenssisuunnittelu ja suodatus. Lopuksi sekvenssisuunnittelua ja AlphaFold 3 -suodatusta vuoroteltiin vielä kerran. Zn45-nimisen suunnitelman optimoimiseksi ryhmä seuloi 378 yksittäisen kohdan kyllästysvarianttia 21 aminohappopaikassa sekä 148 yhdistelmävarianttia kuudessa paikassa. Näin saatiin parannettu variantti Zn45_v2, jota luonnehdittiin kokonaisvaihtoluvun ja Michaelis–Menten-kinetiikan mittauksilla.

Tutkijat määrittivät muun muassa suunnitelmien Zn5, TDPr3, ZnO7 ja Zn48 kiderakenteet ja tallettivat ne Protein Data Bankiin tunnuksilla 11CE, 11CM, 11CP, 11CR, 11CU, 11CY ja 11DU. Koneoppimiseen perustuvilla voimakenttälaskelmilla tutkittiin nukleofiilisen hyökkäyksen vaiheen aktivoitumisenergioita luonnollisessa sinkkiproteaasissa astasiinissa sekä suunnitelmissa ZnO7 ja Zn45. Tutkimuksen data ja koodi ovat saatavilla Zenodossa.

Sairauksiin liittyvien proteiinien valikoiva pilkkominen

Metalloproteaaseja käsittelevässä tutkimuksessa raportoidaan suunnitelmista, jotka pilkkovat valikoivasti ihmisen sairauksiin liittyviä proteiineja TDP-43, amyloidi-β ja seerumin amyloidi A. Reaktionopeus kasvoi jopa 10⁹-kertaiseksi. Esimerkkejä ovat TDP-43:een kohdennettu TDPr3, seerumin amyloidi A:n sekvenssiin SSRSFFSFLG kohdennettu SAAc8 sekä amyloidi-β:n sekvenssiin KGAIIGLMVG kohdennettu AbetaF3.

TDP-43-proteiinia varten tutkijat suunnittelivat olemassa olevan proteiinirungon uudelleen niin, että se pilkkoo proteiinia sen epäjärjestäytyneessä C-terminaalisessa domeenissa. Tämä domeeni säätelee neste-neste-faasierottumista ja oligomerisaatiota. Tarkoituksena ei ollut hajottaa koko proteiinia. Tutkimuksessa strategia esitetään keinona säädellä faasikäyttäytymistä ja oligomerisaatiota tuhoamatta proteiinin järjestäytyneiden domeenien välttämättömiä tumatoimintoja.

Ryhmä suunnitteli lisäksi suojattuja sytokiineja ja reseptoriantagonisteja, jotka suunnitellut proteaasit aktivoivat valikoivasti. Tutkimuksen mukaan tämä mahdollistaa solutilan bio-ortogonaalisen säätelyn. Tutkijat päättelevät, että alusta asti suunnittelemalla voidaan tuottaa erittäin aktiivisia, ohjelmoitavia proteaaseja, joita voidaan mahdollisesti hyödyntää terapiassa, bioteknologiassa ja bioremediaatiossa.

Eturistiriitoja koskevassa ilmoituksessa todetaan, että menetelmien ja suunnitelmien tiettyihin osiin liittyen on jätetty väliaikaiset patenttihakemukset 64/047,504 ja 63/921,483. Keksijöiksi tai osallistujiksi ilmoitetaan Chen, Wu, Choi, Preetham Venkatesh, Samuel J. Pellock, Hilvert, Asim K. Bera ja Baker.

Toinen proteaasiperhe perustuu kysteiiniin

Toisessa tutkimuksessa, Kysteiiniproteaasien suunnittelu alusta asti, jonka ensimmäinen kirjoittaja on Hojae Choi, käytettiin uutta RFD2-MI-nimistä syväoppimismenetelmää. Tutkimusryhmän jäsenet Brian Coventry ja Magnus S. Bauer kehittivät menetelmän entsyymien suunnitteluun. Entsyymit käyttävät aktivoitua kysteiininukleofiilia polypeptidirungon hydrolysoimiseen sekvenssistä riippuvalla tavalla. Tutkimuksen mukaan 69 testatusta suunnitelmasta 13 oli aktiivisia eli onnistumisprosentti oli 19 %. Reaktionopeus kasvoi taustareaktioon verrattuna jopa 3 × 10⁷-kertaiseksi.

Suunnitellut proteaasit laskostuvat hyvin eri tavoin kuin luonnolliset proteaasit: niiden TM-arvo on alle 0.50. Tutkimuksen mukaan kuuden kiderakenteen Cα-atomin neliöllinen keskipoikkeama suunnittelumalleista on alle 1.2 Å. Rakenteet talletettiin Protein Data Bankiin tunnuksilla 9YNL, 9YNM, 9YOX, 9YOY, 9YOZ ja 9YP0. Suunnitteluprosessissa RFD2-MI:llä tuotettuja runkoja käsiteltiin vuorotellen ProteinMPNN:llä tehtävän sekvenssisuunnittelun ja AlphaFold 3 -suodatuksen kanssa.

Dokki-nimiselle proteaasille tehdyssä yhdessä uudelleensuunnittelukierroksessa 24 kaikkiaan 89 tuotetusta variantista suoriutui alkuperäistä suunnitelmaa paremmin: reaktionopeus parani 1,2–31-kertaiseksi. Eniten parantunut variantti sai nimekseen Dokki-15. Artikkelin mukaan suunnitellut proteaasit pilkkoivat kohteitaan tehokkaasti nisäkässoluissa. Tämä osoitettiin HeLa-soluissa reportterimäärityksellä, jossa seurattiin entsyymin vaikutuksesta tapahtuvaa substraatin siirtymistä; kontrollina käytettiin katalyyttisesti inaktiivisia mutantteja. Kirjoittajien kokeellisten ja laskennallisten analyysien mukaan aktiivisuusero kaikkein aktiivisimpiin luonnollisiin kysteiiniproteaaseihin verrattuna johtuu aktiivisen kohdan esijärjestäytymisen ja substraatin asettumisen epätäydellisyydestä.

Julkaisuhistoria, rahoitus ja koodi

Nature vastaanotti molemmat artikkelit 14. lokakuuta 2025. Kysteiiniproteaasia käsittelevä artikkeli hyväksyttiin 9. syyskuuta 2026 ja metalloproteaaseja käsittelevä artikkeli 15. syyskuuta 2026. Aiemmat versiot julkaistiin bioRxiv-esijulkaisuina marraskuussa 2025. Kysteiiniproteaasia käsittelevä tutkimus julkaistiin 22. marraskuuta 2025 ja metalloproteaaseja käsittelevä tutkimus julkaistiin ensimmäisen kerran 21. marraskuuta 2025; sitä päivitettiin neljänteen versioon asti 27. syyskuuta 2026.

Rahoituslähteiksi mainitaan Howard Hughes Medical Institute, Bill and Melinda Gates Foundation, Defense Threat Reduction Agency, National Science Foundation, National Institutes of Healthin National Institute of Allergy and Infectious Diseases and National Institute on Aging, Advanced Research Projects Agency for Healthin APECx-ohjelma, The Audacious Project at the Institute for Protein Design and the Open Philanthropy Project sekä muita rahoittajia. Kysteiiniproteaasia käsittelevän tutkimuksen suunnittelu- ja analyysikoodi on julkisesti saatavilla kahdessa GitHub-tietovarastossa, eivätkä kysteiiniproteaasia käsittelevän artikkelin kirjoittajat ilmoittaneet eturistiriitoja.