Baker-Team entwirft KI-Proteasen, die Peptidbindungen gezielt spalten

Baker-Team entwirft KI-Proteasen, die Peptidbindungen gezielt spalten

Ein Team um David Baker von der University of Washington hat Cystein- und Zink-Proteasen de novo entworfen. Sie spalten Peptidbindungen sequenzspezifisch. Grundlage ist RFD2-MI, eine Variante von RFdiffusion2. Laut Sekundärquellen berichtet Nature darüber. Belegt sind die Arbeiten bislang durch zwei bioRxiv-Preprints.

Der Fortschritt liegt nach Darstellung der Preprints in der Reaktion selbst. Bisherige Erfolge beim de novo Enzymdesign beschränkten sich weitgehend auf Modellreaktionen mit niedriger Energiebarriere, etwa die Spaltung leicht angreifbarer, aktivierter Ester. Amidbindungen im Peptidrückgrat gelten dagegen als deutlich stabiler. Ihre Abgangsgruppen sind nicht aktiviert. Hinzu kommt, dass sich die flexiblen Peptidsubstrate nur schwer präzise binden lassen. Die Amidspaltung galt deshalb als große Herausforderung. Daraus leitet sich der Anspruch ab, erstmals nicht aktivierte Amidbindungen mit de novo entworfenen Enzymen gespalten zu haben.

Die Pipeline kombiniert mehrere Modelle. RFD2-MI erzeugt die dreidimensionalen Proteingerüste. ProteinMPNN und EnhancedMPNN wählen dazu passende Aminosäuresequenzen. AlphaFold3 prüft, ob die Strukturen den Designzielen entsprechen. Molekulardynamiksimulationen bewerten den vorgesehenen Spaltmechanismus.

36 Prozent aktive Zink-Designs, Ratensteigerung bis 10^8

Die folgenden Kennzahlen stammen von den Autoren der Preprints. In einer einzigen Designrunde testeten sie 135 Zink-Protease-Entwürfe. 36 Prozent zeigten Aktivität und spalteten genau an der vorgesehenen Stelle. Das aktivste Design beschleunigte nach Angabe der Autoren die Hydrolyse der Peptidbindung um mehr als den Faktor 10^8 gegenüber der unkatalysierten Reaktion.

Bei den Cystein-Proteasen nennt der zweite Preprint Ratensteigerungen (kcat/kuncat) von bis zu 3 × 10^7. Von 69 Kandidaten waren 13 aktiv. Die Faltungen weichen deutlich von natürlichen Proteasen ab (TM-Score unter 0,50). Kristallstrukturen liegen nahe an den Designmodellen, mit einer Cα-RMSD unter 1,2 Å.

Getestet wurde in Bakterien. Die Forschenden produzierten dort Fusionsketten aus Enzym, Zielsequenz und einem fluoreszierenden Markerprotein. Als erfolgreich galt ein Design, wenn das Enzym die Zielsequenz schnitt und den Marker freisetzte.

Offen bleiben der Neuheitsanspruch und die Aktivität der Zink-Designs

Der Anspruch des Erstmaligen stammt aus der Darstellung der Preprints und der Berichte darüber. Gemeint ist die Spaltung nicht aktivierter Amidbindungen durch de novo entworfene Enzyme, nicht der Entwurf von Enzymen überhaupt. Ob dies im strengen Sinn zutrifft, ließ sich nicht unabhängig prüfen. Eine solche Prüfung liegt nicht vor.

Bei den Zink-Designs gibt es eine Abweichung in der Darstellung. Neoteo.com beschreibt die Zinkresultate unter Bezug auf einen Bericht von Ars Technica als getrennte Designsets. In einem davon sei die Aktivität schwach. Zudem könnte ein Wassermolekül die Reaktionsstelle blockieren, was ein separates Set berücksichtige. Das widerspricht den Preprint-Angaben nicht eindeutig. Möglich sind unterschiedliche Sets und Bedingungen, etwa Erstrunde und verfeinerte Designs. Da die Quelle nur auszugsweise vorliegt, lässt sich die Ursache nicht klären.

Zu möglichen Interessenkonflikten: Der Zink-Preprint nennt eine vorläufige Patentanmeldung zu Methoden und Designs. Sie führt sieben Personen als Erfinder auf, angegeben mit den Kürzeln A.C., K.W., H.C., P.V., S.J.P., D.H. und D.B. Der Cystein-Preprint erklärt keine Interessenkonflikte. Preprints sind zudem nicht begutachtet.