Phòng thí nghiệm Baker thiết kế protease AI phân cắt các protein liên quan đến bệnh

Hai nhóm tại Viện Thiết kế Protein thuộc University of Washington đã công bố các nghiên cứu trên tạp chí Nature vào ngày 14 tháng 10 năm 2026. Các nghiên cứu này mô tả những protease được thiết kế từ đầu bằng phương pháp tính toán, có khả năng thủy phân khung xương polypeptide tại các trình tự được chọn, bao gồm những vị trí trong các protein liên quan đến bệnh ở người là TDP-43, amyloid-β và amyloid A huyết thanh.

Các liên kết amide nối các axit amin dọc theo khung xương peptide bền vững hàng trăm năm trong dung dịch nước trung tính do rào cản năng lượng cao đối với quá trình thủy phân; nghiên cứu về protease cysteine cho biết trước đây, những thành công trong thiết kế enzyme de novo phần lớn chỉ giới hạn ở các phản ứng mô hình có rào cản năng lượng thấp. Một nghiên cứu tạo ra các metalloprotease dựa trên kẽm; nghiên cứu còn lại tạo ra các protease hoạt động thông qua một nucleophile cysteine được hoạt hóa. Cả hai bài báo đều ghi David Baker là tác giả liên hệ, và Donald Hilvert thuộc ETH Zurich là tác giả liên hệ của cả hai.

Quy trình thiết kế metalloprotease dựa trên kẽm

Trong nghiên cứu Thiết kế metalloprotease bằng phương pháp tính toán, các đồng tác giả thứ nhất Anqi Chen và Kejia Wu cùng các cộng sự mô tả việc sử dụng các phương pháp RFdiffusion để thiết kế protein mang các vị trí hoạt động dựa trên kẽm có khả năng hoạt hóa nước, nằm cạnh một hốc liên kết cơ chất peptide. Bài báo cho biết trong số 135 thiết kế được thử nghiệm, 36% xúc tác quá trình phân cắt cơ chất peptide tương ứng tại liên kết có thể bị cắt được nhắm tới. Thiết kế ban đầu tốt nhất làm tăng tốc độ thủy phân liên kết peptide lên hơn 10⁸ lần so với phản ứng không được xúc tác; theo bài báo, bốn phép thay thế giúp tăng mức gia tốc đó lên hơn 10¹⁰ lần nhờ cải thiện sự sắp xếp trước của vị trí hoạt động.

Quy trình tạo thiết kế kết hợp một vòng tạo khung xương ban đầu dựa trên motif với thiết kế trình tự và bước sàng lọc bằng AlphaFold 3, tiếp theo là hai vòng tinh chỉnh bằng khuếch tán một phần, kèm thiết kế trình tự và sàng lọc bổ sung, rồi một vòng lặp cuối giữa thiết kế trình tự và sàng lọc bằng AlphaFold 3. Để tối ưu hóa thiết kế mang tên Zn45, nhóm đã sàng lọc 378 biến thể bão hòa tại một vị trí trên 21 vị trí gốc axit amin và 148 biến thể tổ hợp trên sáu vị trí, qua đó tạo ra biến thể cải tiến Zn45_v2, được đặc trưng bằng các phép đo tổng số vòng quay và động học Michaelis–Menten.

Các nhà nghiên cứu xác định cấu trúc tinh thể của những thiết kế gồm Zn5, TDPr3, ZnO7 và Zn48, rồi gửi các cấu trúc này vào Protein Data Bank theo các mã truy cập 11CE, 11CM, 11CP, 11CR, 11CU, 11CY và 11DU. Các phép tính dùng trường lực học máy khảo sát năng lượng hoạt hóa của bước tấn công nucleophile ở protease kẽm tự nhiên astacin và trong các thiết kế ZnO7 và Zn45. Dữ liệu và mã của nghiên cứu được cung cấp trên Zenodo.

Phân cắt có chọn lọc các protein liên quan đến bệnh

Bài báo về metalloprotease cho biết các thiết kế có thể phân cắt có chọn lọc các protein liên quan đến bệnh ở người là TDP-43, amyloid-β và amyloid A huyết thanh, với mức tăng tốc độ lên đến 10⁹ lần. Các ví dụ được nêu tên gồm TDPr3, nhắm vào TDP-43; SAAc8, nhắm vào amyloid A huyết thanh tại trình tự SSRSFFSFLG; và AbetaF3, nhắm vào amyloid-β tại trình tự KGAIIGLMVG.

Đối với TDP-43, các tác giả thiết kế lại một khung xương sẵn có để cắt bên trong miền C tận không có cấu trúc của protein—miền chi phối sự phân tách pha lỏng–lỏng và quá trình oligomer hóa—thay vì phân hủy toàn bộ protein. Bài báo trình bày chiến lược này như một cách điều chỉnh hành vi phân tách pha và quá trình oligomer hóa đó mà không loại bỏ các chức năng thiết yếu trong nhân của những miền có cấu trúc của protein.

Nhóm còn thiết kế các cytokine được che chắn và chất đối kháng thụ thể mà những protease được thiết kế có thể hoạt hóa một cách chọn lọc; theo bài báo, điều này cho phép kiểm soát trạng thái tế bào theo cơ chế bioorthogonal. Các tác giả kết luận rằng thiết kế de novo có thể tạo ra những protease hoạt tính cao, có thể lập trình, với tiềm năng ứng dụng trong điều trị, công nghệ sinh học và xử lý ô nhiễm bằng sinh học.

Bản công bố về lợi ích cạnh tranh cho biết các đơn đăng ký bằng sáng chế tạm thời 64/047,504 và 63/921,483 đã được nộp liên quan đến một số khía cạnh của các phương pháp và thiết kế; danh sách ghi Chen, Wu, Choi, Preetham Venkatesh, Samuel J. Pellock, Hilvert, Asim K. Bera và Baker là các nhà sáng chế hoặc người đóng góp.

Một họ protease thứ hai được xây dựng dựa trên cysteine

Nghiên cứu thứ hai, Thiết kế de novo protease cysteine, do Hojae Choi là tác giả thứ nhất, sử dụng một phương pháp học sâu mới có tên RFD2-MI—do các thành viên nhóm Brian Coventry và Magnus S. Bauer phát triển—để thiết kế enzyme dùng nucleophile cysteine được hoạt hóa nhằm thủy phân khung xương polypeptide theo cách phụ thuộc vào trình tự. Bài báo ghi nhận 13 thiết kế có hoạt tính trong số 69 thiết kế được thử nghiệm, tương đương 19%, với mức tăng tốc độ so với phản ứng nền lên đến 3 × 10⁷.

Theo bài báo, các protease được thiết kế có cấu trúc gấp cuộn rất khác với protease tự nhiên, với điểm TM dưới 0.50; sáu cấu trúc tinh thể khớp với các mô hình thiết kế trong phạm vi sai lệch bình phương trung bình căn bậc hai của Cα dưới 1.2 Å. Các cấu trúc được gửi vào Protein Data Bank theo các mã truy cập 9YNL, 9YNM, 9YOX, 9YOY, 9YOZ và 9YP0. Quy trình thiết kế luân phiên giữa việc tạo khung xương bằng RFD2-MI, thiết kế trình tự bằng ProteinMPNN và sàng lọc bằng AlphaFold 3.

Trong một đợt thiết kế lại protease có tên Dokki, 24 trong số 89 biến thể được tạo ra có hiệu suất vượt thiết kế ban đầu, với mức cải thiện tốc độ từ 1,2 đến 31 lần; biến thể cải thiện nhiều nhất được đặt tên là Dokki-15. Bài báo cho biết các protease được thiết kế đã phân cắt hiệu quả các mục tiêu trong tế bào động vật có vú. Điều này được chứng minh trên tế bào HeLa bằng một phép thử báo cáo theo dõi sự tái định vị cơ chất phụ thuộc vào enzyme, với các thể đột biến mất hoạt tính xúc tác làm đối chứng. Các phân tích thực nghiệm và tính toán của nhóm tác giả cho rằng khoảng cách hoạt tính còn lại so với những protease cysteine tự nhiên hoạt động mạnh nhất bắt nguồn từ những khiếm khuyết trong việc tiền tổ chức hóa vị trí hoạt động và định vị cơ chất.

Lịch sử công bố, tài trợ và mã nguồn

Nature nhận được cả hai bài báo vào ngày 14 tháng 10 năm 2025; bài báo về protease cysteine được chấp nhận vào ngày 9 tháng 9 năm 2026, còn bài báo về metalloprotease được chấp nhận vào ngày 15 tháng 9 năm 2026. Các phiên bản trước đó được đăng dưới dạng bản tiền ấn phẩm trên bioRxiv vào tháng 11 năm 2025: nghiên cứu về protease cysteine được đăng ngày 22 tháng 11 năm 2025, còn nghiên cứu về metalloprotease được đăng lần đầu ngày 21 tháng 11 năm 2025 và tiếp tục được chỉnh sửa qua bốn phiên bản, đến ngày 27 tháng 9 năm 2026.

Các tuyên bố về tài trợ liệt kê Howard Hughes Medical Institute, Bill and Melinda Gates Foundation, Defense Threat Reduction Agency, National Science Foundation, National Institute of Allergy and Infectious Diseases và National Institute on Aging thuộc National Institutes of Health, chương trình APECx của Advanced Research Projects Agency for Health, The Audacious Project tại Institute for Protein Design và Open Philanthropy Project, cùng các đơn vị tài trợ khác. Mã nguồn dùng cho thiết kế và phân tích trong nghiên cứu về protease cysteine được công khai trên hai kho lưu trữ GitHub, và các tác giả bài báo về protease cysteine tuyên bố không có lợi ích cạnh tranh.