Si sta scrivendo un nuovo capitolo nella storia della biochimica con l’emergere della progettazione proteica su misura. I laboratori di tutto il mondo stanno ora esplorando nuovi gruppi di aminoacidi, ampliando notevolmente il campo delle possibilità per la creazione di trattamenti medici mirati. Tuttavia, questo progresso solleva molte domande sulla nostra capacità di comprendere le strutture delle proteine a livello atomico. Per affrontare questa sfida, gli scienziati si stanno rivolgendo a strumenti di analisi all’avanguardia, come la diffusione dei neutroni, che potrebbero rappresentare la chiave per importanti progressi nel campo della medicina e della biotecnologia.
Diffusione dei neutroni: uno strumento essenziale per la progettazione delle proteine
Il biochimico David Baker, recentemente insignito del Premio Nobel per la Chimica, ha utilizzato l’HFIR (High Isotope Flux Reactor) presso l’Oak Ridge National Laboratory (ORNL) per ottenere informazioni critiche sulle proteine da lui progettate. L’HFIR, la sorgente di neutroni più potente dagli Stati Uniti, offre capacità uniche per lo studio delle strutture molecolari.
Nel 2018, David Baker ha progettato una proteina che potrebbe legarsi all’amantadina, un farmaco usato per trattare il morbo di Parkinson. Questa proteina legante l’amantadina (ABP) potrebbe fungere da interruttore di controllo nelle terapie antitumorali mirate. Tuttavia, per confermare la struttura e la funzione complete della proteina assemblata, mancavano informazioni essenziali.
Lo strumento HFIR IMAGINE ha fornito l’elemento mancante utilizzando la diffusione dei neutroni. Questa tecnica ha permesso a Baker e al suo team di farlo visualizzare gli atomi di idrogenouna capacità che nessun’altra tecnica di ricerca può offrire.
«La maggior parte delle persone non capisce veramente l’importanza dei neutroni. In questo caso particolare, l’esperimento sui neutroni effettuato è stato essenziale perché era necessario localizzare gli atomi di idrogeno. I neutroni hanno la particolarità di poter sondare campioni delicati o proteine senza distruggerli e ci permettono di trovare atomi di idrogeno. Con i progressi nella progettazione e ingegneria delle proteine, le posizioni degli atomi di idrogeno rimarranno fondamentali per il loro funzionamento.» ha spiegato Dean Myles, scienziato R&D dell’ORNL.
Il futuro della biologia strutturale computazionale
In un workshop di giugno ospitato dal Neutron Sciences Branch dell’ORNL, Linna An, ricercatrice post-dottorato senior nel laboratorio di Baker, ha presentato la visione del team per il futuro della biologia strutturale computazionale e il suo impatto nell’area. Progettazione di enzimi è il prossimo obiettivo della squadra.
Linna An ha sottolineato:Le informazioni sul trasferimento dei protoni sono assolutamente necessarie per progettare gli enzimi e la diffusione dei neutroni è una delle tecnologie chiave per fornirci queste informazioni.»
Il biochimico ha ricevuto quest’anno il Premio Nobel per la Chimica per il suo lavoro sulle proteine, composte principalmente da 20 aminoacidi. La maggior parte delle proteine naturali vengono create da una combinazione di questi 20 aminoacidi. In linea di principio esiste un numero illimitato di queste combinazioni e tutta la natura utilizza meno dello 0,1% delle combinazioni possibili. Il gruppo di Baker lavora sul restante 99,9%.
Molteplici applicazioni per la progettazione di proteine
La capacità di ingegnerizzare le proteine apre anche le porte a una serie di altre applicazioni, come lo sviluppo semplificato di vaccini, un’industria chimica più verde e nuovi nanomateriali. Poiché la maggior parte degli enzimi sono proteine, il lavoro di Baker può anche aiutare a migliorare tutto, dalla progettazione di farmaci alla produzione di biocarburanti fino alla scomposizione della plastica.
Il direttore dell’ORNL Stephen Streiffer ha dichiarato: “La biologia offre enormi opportunità per i progressi salvavita e le nuove tecnologie, rese possibili in gran parte da potenti strumenti di ricerca come l’HFIR. È gratificante vedere questa capacità fondamentale dell’ORNL, la diffusione dei neutroni – che a sua volta ha vinto un premio Nobel per la fisica – contribuire al lavoro dei nuovi premi Nobel. Si parla anche del ruolo essenziale e duraturo dell’HFIR nel corso dei decenni. I ricercatori all’avanguardia nell’innovazione possono rivolgersi all’HFIR per avere risposte.»
David Baker si affida principalmente all’informatica avanzata per la progettazione di strutture proteiche. Dall’inizio degli anni 2000, con l’aiuto del suo gruppo di ricerca con sede presso l’Università di Washington, ha creato un database che oggi comprende più di 200.000 strutture proteiche che utilizza per creare nuove proteine per aiutare a sviluppare nuovi farmaci.
Didascalia dell’illustrazione: Il premio Nobel e biochimico David Baker è venuto all’Oak Ridge National Laboratory nel 2019 per utilizzare lo strumento IMAGINE nell’High Flux Isotope Reactor per vedere gli atomi di idrogeno nella struttura di una proteina da lui progettata.
Articolo: «Progettazione de novo di una proteina omotrimerica legante l’amantadina» – DOI: 10.7554/eLife.47839
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