طراحی پلیمری به افق‌های جدید می‌رسد!

تحقیقات جدید در طراحی پروتئین‌های نوین

یک مطالعه تحقیقاتی که به‌طور مشترک توسط گایتانو مونتلیونه، استاد و رئیس کرسی شیمی و زیست‌شناسی شیمی در مؤسسه پلی‌تکنیک رنسلر (RPI) و دیوید بیکر، استاد بیوشیمی، محقق HHMI و مدیر مؤسسه طراحی پروتئین (IPD) در دانشگاه واشنگتن انجام شده است، رویکردی سیستماتیک و با توان بالا برای غربالگری مجازی و ایجاد مولکول‌های نوین بر پایه پلی‌پپتید را توصیف می‌کند. این مولکول‌ها قادر به تشکیل ساختارهای ثانویه منظم هستند که می‌توانند در تحقیقات زیست‌شناسی یا علم مواد مورد استفاده قرار گیرند. بیکر به‌تازگی به‌عنوان یکی از دریافت‌کنندگان مشترک جایزه نوبل شیمی 2024 برای توسعه زمینه نوظهور طراحی پروتئین de novo معرفی شده است.

ساختارهای ثانویه منظم، مانند هلیکس‌های آلفا و صفحات بتا، ساختارهای بنیادی معماری پروتئین را تشکیل می‌دهند. این ساختارها برای درک تا شدن و عملکرد پروتئین‌ها ضروری هستند و به پیش‌بینی ساختار، شناسایی اهداف دارویی و مطالعه مکانیزم‌های مولکولی بیماری‌ها کمک می‌کنند. تیم تحقیقاتی به‌طور سیستماتیک بیش از 200,000 ترکیب از 130 آمینواسید غیرزیستی با خواص شیمیایی متنوع را بررسی کرده و تنوع ساختارهای ثانویه پلی‌پپتید را گسترش داد. این رویکرد نوآورانه که توسط آدام مویر، دکترا، توسعه یافته است، منجر به کشف صدها ساختار تکراری منحصر به فرد با انرژی پایین شد.

مونتلیونه در این باره گفت: “ما 10 ساختار تکراری دی‌پپتید جدید شناسایی شده را با استفاده از طیف‌سنجی دی‌کروماتیسم دایره‌ای توصیف کردیم و آنها را با طیف‌های محاسبه‌شده مقایسه کردیم.” طیف‌های محاسبه‌شده برای پیش‌بینی جذب یا انتشار نور در طول‌موج‌های خاص استفاده می‌شوند که به توصیف هندسه‌های مولکولی پلیمرها کمک می‌کند. این 10 پلیمر تکراری دی‌پپتید به‌طور مورد انتظار دارای ساختارهای منظم مشاهده شدند.

مطالعات NMR و بلورنگاری اشعه ایکس بر روی پلیمرها

مطالعات دقیق‌تری که بر روی دو تا از این پلیمرها با استفاده از NMR و بلورنگاری اشعه ایکس انجام شد، نشان داد که نتایج حاصله با مدل‌های محاسباتی آن‌ها مطابقت دارد. این نتیجه، اعتبار رویکرد طراحی این پلیمرها را تأیید می‌کند. خط لوله محاسباتی قابل تعمیم برای انواع مختلفی از پلیمرها است و راه را برای کاربردهای گسترده‌تر در طراحی مواد هموار می‌کند.

مونتلیونه گفت: “توسعه هوش مصنوعی و دیگر روش‌های محاسباتی برای طراحی پروتئین‌ها و پپتیدهای نوین که برای کاربردهای مختلف در بیوتکنولوژی و علم مواد مفید هستند، با IPD در حال پیشرفت است.” او همچنین افزود: “همکاری ما تأثیر این پروتئین‌های مصنوعی را افزایش می‌دهد و فناوری‌های پیشرفته‌تری را به RPI می‌آورد که تلاش‌های ما را در چندین برنامه تحقیقاتی علمی مرتبط تقویت می‌کند. این برنامه‌ها به دنبال ایجاد بیومولکول‌های نوینی هستند که می‌توانند شبکه‌های تعامل پروتئین-پروتئین را در زیست‌شناسی سرطان و فرآیندهای عفونت ویروسی تعدیل کنند.”

دکتر کورت برنمن، رئیس دانشکده علوم RPI، گفت: “این مطالعه راهی برای طراحی مواد جدید با مجموعه‌ای از خواص خاص مورد نظر ارائه می‌دهد.” او همچنین افزود: “این کار به درک روزافزون ما از نحوه مدل‌سازی ساختار و پایداری پلیمرها کمک می‌کند.”

این تحقیق توسط آدام مویر، دانشجوی فارغ‌التحصیل اخیر آزمایشگاه بیکر، و ترزا راملو، دانشمند ارشد تحقیقاتی در آزمایشگاه مونتلیونه، رهبری شد. همکاران این پروژه شامل روبرتو تجر از RPI، الکس کانگ، آسم ک. برا و پاتریک جی. سالوسون از دانشگاه واشنگتن، ماریانو کورت از مؤسسه علم و فناوری بارسلونا، و الیزابت رومرو و مارگارت آ. ایستمن از دانشگاه ایالتی اوکلاهما و کارلس کورتچت از دانشگاه بارسلونا بودند. مونتلیونه، راملو و تجر اعضای مرکز بیوتکنولوژی و مطالعات بین‌رشته‌ای RPI هستند.