Nieuw computerprogramma ontwerpt eiwitten die bewust geen vaste vorm hebben

De meeste eiwitten in ons lichaam hebben een vaste, driedimensionale vorm. Die vorm bepaalt wat het eiwit kan doen, zoals een sleutel die in een slot past. Maar een groot deel van de eiwitten in cellen heeft juist geen vaste structuur. Deze zogeheten ongeordende eiwitregio's kronkelen voortdurend van vorm en komen voor in alle levensvormen, van bacteriën tot mensen. Ze spelen een essentiële rol bij bijvoorbeeld celcommunicatie en de opbouw van celstructuren.

Lastig te ontwerpen

Voor eiwitten met een vaste vorm hebben wetenschappers de afgelopen jaren grote stappen gezet in het gericht ontwerpen van nieuwe varianten met een gewenste functie. Bij ongeordende eiwitten lukte dat veel minder goed. Omdat ze geen vaste structuur hebben, is moeilijk te voorspellen wat een verandering in de aminozuurvolgorde — de bouwstenen van het eiwit — precies doet met het gedrag van het eiwit in een cel.

Een team van Amerikaanse onderzoekers, verbonden aan onder meer Washington University in St. Louis, ontwikkelde daarom GOOSE: Generate disOrdered prOteins Specifying propErties. Dit computerprogramma laat gebruikers eigenschappen opgeven waaraan een nieuw eiwit moet voldoen, waarna de software een passende aminozuurvolgorde genereert. Zo kunnen onderzoekers razendsnel grote aantallen varianten maken en testen, iets wat met traditionele proefondervindelijke methodes veel te traag zou gaan.

Duizenden varianten getest

Met GOOSE ontwierpen en testten de onderzoekers duizenden verschillende eiwitsequenties in levende cellen. Daarmee brachten ze in kaart hoe specifieke kenmerken van de aminozuurvolgorde de vorm en het gedrag van een ongeordend eiwit binnen de cel beïnvloeden. Op basis van die kennis bouwden ze vervolgens eiwitten met een concrete functie.

Zo ontwierpen ze eiwitten die reageren op krimp van de cel, zoals die optreedt wanneer een cel vocht verliest. Ook maakten ze scaffold-eiwitten: bouwstenen die zichzelf spontaan tot grotere structuren organiseren en daarbij gericht andere, specifieke moleculen aan zich binden. Het meest opvallende resultaat was misschien wel een reeks nieuwe eiwitten die cellen beschermen tegen uitdroging, een eigenschap die van nature bijvoorbeeld voorkomt bij organismen die extreme droogte kunnen overleven.

Vrij beschikbaar

De onderzoekers hebben GOOSE volledig open source gemaakt. De programmacode staat op GitHub, er is online documentatie beschikbaar en via twee gratis Colab-notebooks kan iedereen met een beetje programmeerkennis direct met de tool aan de slag. Daarmee hopen de wetenschappers dat andere onderzoeksgroepen wereldwijd de methode gaan gebruiken om zelf functionele ongeordende eiwitten te ontwerpen, bijvoorbeeld voor toepassingen in de biotechnologie of geneeskunde.