Baker Lab разработала протеазы с помощью ИИ, расщепляющие белки, связанные с заболеваниями

Две команды из Института проектирования белков Вашингтонского университета опубликовали в журнале Nature 14 октября 2026 года статьи о протеазах, созданных с нуля вычислительными методами. Эти ферменты гидролизуют полипептидную цепь в заданных последовательностях, в том числе на участках белков человека, связанных с заболеваниями: TDP-43, амилоида-β и сывороточного амилоида A.

Амидные связи, соединяющие аминокислоты в полипептидной цепи, остаются стабильными в нейтральном водном растворе сотни лет из-за высокого энергетического барьера гидролиза. Как отмечается в статье о цистеиновых протеазах, ранее успехи в разработке ферментов de novo в основном ограничивались модельными реакциями с низким энергетическим барьером. В одном исследовании создали металлопротеазы на основе цинка, в другом — протеазы, действующие за счет активированного нуклеофила цистеина. В обеих статьях Дэвид Бейкер указан в числе авторов для переписки, а Дональд Хильберт из ETH Zurich — в числе авторов для переписки обеих статей.

Методика разработки металлопротеаз на основе цинка

В статье Вычислительная разработка металлопротеаз соавторы с равным вкладом Анци Чэнь и Цзя У вместе с коллегами описывают применение методов RFdiffusion для разработки белков с активными центрами на основе цинка, активирующими воду и расположенными рядом с карманом связывания пептидного субстрата. Авторы сообщают, что из 135 испытанных вариантов 36% катализировали расщепление соответствующих им пептидных субстратов в заданной пептидной связи. По данным статьи, лучший исходный вариант ускорял гидролиз пептидных связей более чем в 10⁸ раз по сравнению с некатализируемой реакцией; четыре замены аминокислот увеличили ускорение более чем до 10¹⁰ раз за счет улучшения предварительной организации активного центра.

Процесс генерации включал один начальный этап создания каркаса белка на основе мотива с последующим проектированием последовательности и фильтрацией с помощью AlphaFold 3, затем два этапа уточнения методом частичной диффузии с дальнейшим проектированием последовательности и фильтрацией, а в завершение — один цикл чередования проектирования последовательности и фильтрации с помощью AlphaFold 3. Чтобы оптимизировать вариант под названием Zn45, команда проверила 378 вариантов с заменой одной аминокислоты в каждой из 21 позиции и 148 комбинированных вариантов в шести позициях. В результате был получен улучшенный вариант Zn45_v2, который охарактеризовали с помощью измерений общего числа оборотов и кинетических параметров Михаэлиса—Ментен.

Исследователи определили кристаллические структуры нескольких вариантов, в том числе Zn5, TDPr3, ZnO7 и Zn48, и разместили их в Банке данных белков под кодами доступа 11CE, 11CM, 11CP, 11CR, 11CU, 11CY и 11DU. С помощью силового поля, полученного машинным обучением, рассчитали энергии активации этапа нуклеофильной атаки для природной цинковой протеазы астцина и разработанных вариантов ZnO7 и Zn45. Данные и код исследования доступны на Zenodo.

Избирательное расщепление белков, связанных с заболеваниями

В статье о металлопротеазах описаны варианты, избирательно расщепляющие белки человека, связанные с заболеваниями: TDP-43, амилоид-β и сывороточный амилоид A. Скорость реакции при этом увеличивается максимум в 10⁹ раз. Среди названных вариантов — TDPr3, нацеленный на TDP-43; SAAc8, нацеленный на сывороточный амилоид A в последовательности SSRSFFSFLG; и AbetaF3, нацеленный на амилоид-β в последовательности KGAIIGLMVG.

Для воздействия на TDP-43 авторы переработали существующий белковый каркас, чтобы расщеплять белок в его неупорядоченном C-концевом домене, который регулирует разделение фаз жидкость—жидкость и олигомеризацию, а не разрушать белок целиком. В статье эта стратегия представлена как способ изменять фазовое поведение и олигомеризацию, не нарушая важнейшие ядерные функции структурированных доменов белка.

Кроме того, команда разработала защищенные цитокины и антагонисты рецепторов, которые созданные протеазы избирательно активируют. По словам авторов, это позволяет биортогонально управлять состоянием клетки. Авторы заключают, что разработка de novo может привести к созданию высокоактивных программируемых протеаз, которые потенциально найдут применение в терапии, биотехнологии и биоремедиации.

В заявлении о конфликте интересов указано, что поданы предварительные патентные заявки 64/047,504 и 63/921,483, связанные с отдельными аспектами методов и разработанных вариантов. В числе изобретателей и лиц, внесших вклад, перечислены Чэнь, У, Чхве, Притам Венкатеш, Сэмюэл Дж. Пеллок, Хильберт, Асим К. Бера и Бейкер.

Второе семейство протеаз на основе цистеина

Во втором исследовании — Разработка цистеиновых протеаз de novo — первым автором которого выступил Ходжэ Чхве, использовали новый метод глубокого обучения RFD2-MI, разработанный участниками команды Брайаном Ковентри и Магнусом С. Бауэром. С его помощью создавали ферменты, которые используют активированный нуклеофил цистеина для гидролиза полипептидной цепи в зависимости от последовательности. Авторы сообщают, что активными оказались 13 из 69 испытанных вариантов, то есть 19%; скорость реакции по сравнению с фоновой увеличивалась максимум в 3 × 10⁷ раз.

Разработанные протеазы имеют структуры, сильно отличающиеся от структур природных протеаз: показатель TM у них ниже 0.50. По данным статьи, шесть кристаллических структур соответствуют расчетным моделям с отклонением Cα менее 1.2 Å. Структуры размещены в Банке данных белков под кодами доступа 9YNL, 9YNM, 9YOX, 9YOY, 9YOZ и 9YP0. В процессе разработки поочередно применяли генерацию каркаса с помощью RFD2-MI, проектирование последовательности с помощью ProteinMPNN и фильтрацию с помощью AlphaFold 3.

В ходе одного раунда перепроектирования протеазы под названием Dokki 24 из 89 созданных вариантов превзошли исходную конструкцию: скорость их действия выросла от 1,2 до 31 раза, а вариант с наибольшим улучшением получил обозначение Dokki-15. Согласно статье, разработанные протеазы эффективно расщепляли свои мишени в клетках млекопитающих. Это показали на клетках HeLa с помощью репортерного анализа, отслеживавшего перемещение субстрата, зависящее от активности фермента; в качестве контроля использовали каталитически неактивные мутанты. По результатам экспериментального и вычислительного анализа авторы связывают сохраняющийся разрыв в активности по сравнению с наиболее активными природными цистеиновыми протеазами с несовершенной предварительной организацией активного центра и позиционированием субстрата.

История публикации, финансирование и код

Журнал Nature получил обе статьи 14 октября 2025 года; статью о цистеиновых протеазах приняли 9 сентября 2026 года, а статью о металлопротеазах — 15 сентября 2026 года. Более ранние версии появились в виде препринтов на bioRxiv в ноябре 2025 года: исследование цистеиновых протеаз было опубликовано 22 ноября 2025 года, а исследование металлопротеаз впервые появилось 21 ноября 2025 года и дорабатывалось вплоть до четвертой версии, опубликованной 27 сентября 2026 года.

В заявлениях о финансировании перечислены Медицинский институт Говарда Хьюза, Фонд Билла и Мелинды Гейтс, Агентство по снижению угрозы обороны, Национальный научный фонд, Национальные институты здравоохранения США — Национальный институт аллергии и инфекционных заболеваний и Национальный институт старения, программа APECx Агентства перспективных исследовательских проектов в области здравоохранения, проект The Audacious Project при Институте дизайна белков, проект Open Philanthropy и другие источники финансирования. Код для разработки и анализа в рамках исследования цистеиновых протеаз общедоступен в двух репозиториях GitHub; авторы статьи о цистеиновых протеазах заявили об отсутствии конкурирующих интересов.