Baker Lab розробляє за допомогою ШІ протеази, що розщеплюють білки, пов’язані із захворюваннями

Дві команди з Інституту дизайну білків Університету Вашингтона опублікували в Nature 14 жовтня 2026 року статті, у яких повідомили про створені з нуля за допомогою обчислювальних методів протеази, що гідролізують поліпептидний ланцюг у вибраних послідовностях, зокрема в ділянках білків людини, пов’язаних із захворюваннями: TDP-43, амілоїду-β та сироваткового амілоїду A.

Амідні зв’язки, які з’єднують амінокислоти вздовж пептидного ланцюга, залишаються стабільними в нейтральному водному розчині протягом сотень років через високий енергетичний бар’єр гідролізу; у статті про цистеїнові протеази зазначено, що раніше успіхи в розробленні ферментів de novo здебільшого обмежувалися модельними реакціями з низьким енергетичним бар’єром. В одному дослідженні створили металопротеази на основі цинку, а в іншому — протеази, що діють за допомогою активованого нуклеофіла цистеїну. В обох статтях Девіда Бейкера зазначено як автора для листування, а Дональда Гілверта з ETH Zurich — як автора для листування в обох статтях.

Підхід до розроблення металопротеаз на основі цинку

У статті Обчислювальне проєктування металопротеаз співавтори першої статті Анкі Чен і Кецзя Ву разом із колегами описують, як за допомогою методів RFdiffusion розробляли білки з активними центрами на основі цинку, здатними активувати воду, поруч із кишенею зв’язування пептидного субстрату. Як повідомляють автори статті, із 135 перевірених конструкцій 36% каталізували розщеплення відповідних їм пептидних субстратів у цільовому розщеплюваному пептидному зв’язку. Найкраща початкова конструкція прискорювала гідроліз пептидного зв’язку більш ніж у 10⁸ разів порівняно з некаталізованою реакцією, а чотири заміни збільшили це прискорення до понад 10¹⁰ разів завдяки кращій попередній організації активного центру, ідеться у статті.

Процес генерації поєднував один раунд початкової генерації каркаса на основі мотиву з проєктуванням послідовності та фільтрацією за допомогою AlphaFold 3, після чого відбулися два раунди уточнення частковою дифузією з подальшим проєктуванням послідовності й фільтрацією, а на завершальному етапі чергували проєктування послідовності та фільтрацію за допомогою AlphaFold 3. Щоб оптимізувати конструкцію під назвою Zn45, команда перевірила 378 варіантів із насиченням однієї позиції в 21 положенні амінокислотного залишку та 148 комбінаторних варіантів у шести положеннях. У результаті отримали вдосконалений варіант Zn45_v2, який охарактеризували за загальним числом каталітичних циклів і за допомогою кінетичних вимірювань за моделлю Міхаеліса—Ментен.

Дослідники визначили кристалічні структури, зокрема конструкцій Zn5, TDPr3, ZnO7 і Zn48, та депонували їх у Protein Data Bank під реєстраційними кодами 11CE, 11CM, 11CP, 11CR, 11CU, 11CY і 11DU. За допомогою розрахунків із використанням машинно навченого силового поля дослідили енергії активації етапу нуклеофільної атаки для природної цинкової протеази астацину та конструкцій ZnO7 і Zn45. Дані й код дослідження доступні на Zenodo.

Вибіркове розщеплення білків, пов’язаних із захворюваннями

У статті про металопротеази повідомляється про конструкції, які вибірково розщеплюють білки людини, пов’язані із захворюваннями: TDP-43, амілоїд-β та сироватковий амілоїд A; прискорення реакції сягає 10⁹ разів. Серед названих прикладів — TDPr3, спрямована на TDP-43; SAAc8, спрямована на сироватковий амілоїд A у послідовності SSRSFFSFLG; і AbetaF3, спрямована на амілоїд-β у послідовності KGAIIGLMVG.

Для TDP-43 автори переробили наявний каркас, щоб розщеплювати білок у його невпорядкованому C-кінцевому домені, який визначає рідинно-рідинне фазове розділення та олігомеризацію, а не руйнувати білок повністю. У статті цей підхід представлено як спосіб регулювати таку фазову поведінку й олігомеризацію, не порушуючи основних ядерних функцій структурованих доменів білка.

Команда також розробила замасковані цитокіни й антагоністи рецепторів, які створені протеази вибірково активують; автори статті зазначають, що це дає змогу біоортогонально контролювати стан клітин. Автори доходять висновку, що розроблення de novo може забезпечити створення високоактивних програмованих протеаз із потенційним застосуванням у терапії, біотехнологіях і біоремедіації.

У повідомленні про конфлікт інтересів зазначено, що подано попередні патентні заявки 64/047,504 і 63/921,483, пов’язані з окремими аспектами методів і конструкцій; як винахідників або учасників розроблення в них указано Chen, Wu, Choi, Preetham Venkatesh, Samuel J. Pellock, Hilvert, Asim K. Bera і Baker.

Друге сімейство протеаз на основі цистеїну

У другому дослідженні — Розроблення цистеїнових протеаз de novo — перший автор Ходже Чхве та його колеги використали новий метод глибинного навчання RFD2-MI, розроблений учасниками команди Браяном Ковентрі та Магнусом С. Бауером, щоб створити ферменти, які за допомогою активованого нуклеофіла цистеїну гідролізують поліпептидний ланцюг залежно від його послідовності. У статті повідомляється, що серед 69 перевірених конструкцій активними виявилися 13, тобто 19%; прискорення реакції порівняно з фоновою реакцією сягало 3 × 10⁷ разів.

Як повідомляють автори статті, створені протеази мають структури, що значно відрізняються від структур природних протеаз: їхній показник TM нижчий за 0,50, а шість кристалічних структур відповідають моделям конструкцій із середньоквадратичним відхиленням положень атомів Cα менш ніж 1,2 Å. Структури депоновано в Protein Data Bank під реєстраційними кодами 9YNL, 9YNM, 9YOX, 9YOY, 9YOZ і 9YP0. У процесі розроблення почергово застосовували генерацію каркасів за допомогою RFD2-MI, проєктування послідовностей за допомогою ProteinMPNN і фільтрацію за допомогою AlphaFold 3.

Під час одного раунду редизайну протеази під назвою Dokki 24 із 89 створених варіантів перевершили вихідну конструкцію: швидкість реакції зросла від 1,2 до 31 раза, а варіант із найбільшим покращенням отримав назву Dokki-15. Як повідомляється у статті, сконструйовані протеази ефективно розщеплювали свої мішені в клітинах ссавців. Це продемонстрували на клітинах HeLa за допомогою репортерного аналізу, що відстежував переміщення субстрату залежно від активності ферменту; контролем слугували каталітично неактивні мутанти. На підставі експериментального й обчислювального аналізу автори пов’язують розрив між активністю розроблених протеаз і найактивніших природних цистеїнових протеаз із недосконалістю попередньої організації активного центру та позиціювання субстрату.

Історія публікації, фінансування та код

Журнал Nature отримав обидві статті 14 жовтня 2025 року; статтю про цистеїнові протеази прийняли 9 вересня 2026 року, а статтю про металопротеази — 15 вересня 2026 року. Раніші версії з’явилися у вигляді препринтів на bioRxiv у листопаді 2025 року: дослідження цистеїнових протеаз опублікували 22 листопада 2025 року, а дослідження металопротеаз уперше опублікували 21 листопада 2025 року; до 27 вересня 2026 року його оновили до четвертої версії.

У переліку джерел фінансування зазначено Медичний інститут Говарда Г’юза, Фонд Білла та Мелінди Гейтс, Агентство зі зменшення загрози обороні, Національний науковий фонд, Національний інститут алергії та інфекційних захворювань і Національний інститут старіння, що належать до Національних інститутів здоров’я США, програму APECx Агентства перспективних дослідницьких проєктів у сфері охорони здоров’я, The Audacious Project при Інституті проєктування білків та Open Philanthropy Project, а також інших донорів. Код для проєктування й аналізу в дослідженні цистеїнових протеаз перебуває у відкритому доступі у двох репозиторіях GitHub, а автори статті про цистеїнові протеази заявили про відсутність конфлікту інтересів.