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Peptídeos de laço são produtos naturais feitos por bactérias. Seu formato de laço incomum os dota de uma estabilidade notável, protegendo-os de condições extremas. Em um novo estudo, publicado em Natureza Química Biologiapesquisadores construíram e testaram modelos de como esses peptídeos são feitos e demonstraram como essas informações podem ser usadas para levar medicamentos baseados em peptídeos lasso para a clínica.
“Os peptídeos Lasso são interessantes porque são basicamente moléculas lineares que foram amarradas em um formato de nó corrediço”, disse Susanna Barrett, uma estudante de pós-graduação no laboratório Mitchell (MMG). “Devido à sua incrível estabilidade e engenharia, eles têm muito potencial como terapêuticos. Também foi demonstrado que eles têm propriedades antibacterianas, antivirais e anticâncer.”
Peptídeos laço são moléculas sintetizadas ribossomalmente e modificadas pós-traducionalmente. As cadeias de peptídeos são formadas pela união de aminoácidos na forma de uma corda, o que é feito pelo ribossomo. Duas enzimas, uma peptidase e uma ciclase, então colaboram para converter um peptídeo precursor linear na estrutura distinta de laço com nós. Desde sua descoberta há mais de três décadas, os cientistas têm tentado entender como a ciclase dobra o peptídeo laço.
“Um dos maiores desafios para resolver esse problema é que as enzimas são difíceis de trabalhar. Elas são geralmente insolúveis ou inativas quando você tenta purificá-las”, disse Barrett.
Um raro contraexemplo é a fusilassina ciclase, ou FusC, que o laboratório Mitchell caracterizou em 2019. Antigos membros do grupo conseguiram purificar a enzima e, desde então, ela serviu como modelo para entender o processo de amarração do nó de laço. No entanto, a estrutura da FusC permaneceu desconhecida, tornando impossível entender como a ciclase interage com o peptídeo para dobrar o nó.
No estudo atual, o grupo usou o programa de inteligência artificial AlphaFold para prever a estrutura da proteína FusC. Eles usaram a estrutura e outras ferramentas baseadas em inteligência artificial, como RODEO, para identificar quais resíduos do sítio ativo da ciclase eram importantes para interagir com o substrato do peptídeo lasso.
“O FusC é composto por aproximadamente 600 aminoácidos e o sítio ativo contém 120. Esses programas foram fundamentais para o nosso projeto porque nos permitiram fazer ‘estudos estruturais’ e reduzir quais aminoácidos são importantes no sítio ativo da enzima”, disse Barrett.
Eles também usaram simulações de dinâmica molecular para entender computacionalmente como o laço é dobrado pela ciclase. “Graças ao poder computacional do Folding@home, fomos capazes de coletar dados de simulação extensivos para visualizar as interações no nível atômico”, disse Song Yin, um aluno de pós-graduação no laboratório de Shukla. “Antes deste estudo, não havia simulações de MD das interações entre peptídeos de laço e ciclases, e achamos que esta abordagem será aplicável a muitos outros estudos de engenharia de peptídeos.”
A partir de seus esforços computacionais, os pesquisadores descobriram que entre diferentes ciclases, a região da parede posterior do sítio ativo parecia ser especialmente importante para o dobramento. Em FusC, isso correspondia à região da hélice 11. Os pesquisadores então realizaram a biossíntese sem células, onde adicionaram todos os componentes celulares necessários para a síntese dos peptídeos lasso a um tubo de ensaio com variantes enzimáticas que tinham diferentes aminoácidos na região da hélice 11. Por fim, eles identificaram uma versão de FusC com uma mutação na hélice 11 que poderia dobrar peptídeos lasso que não podem ser feitos pela ciclase original. Esses dados confirmam o modelo para dobramento de peptídeos lasso que os pesquisadores desenvolveram com suas abordagens computacionais.
“Como as enzimas dão um nó de laço é uma questão fascinante. Este estudo fornece um primeiro vislumbre das interações biofísicas responsáveis pela produção desta estrutura única”, disse Diwakar Shukla, professor associado de engenharia química e biomolecular.
“Também mostramos que esses contatos moleculares são os mesmos em várias ciclases diferentes em diferentes filos. Embora não tenhamos testado todos os sistemas, acreditamos que seja um modelo generalizável”, disse Barrett.
Colaborando com a empresa Lassogen, sediada em San Diego, os pesquisadores mostraram que os novos insights podem orientar a engenharia de ciclase para gerar peptídeos lasso que, de outra forma, não poderiam ser feitos. Como prova de conceito, eles projetaram uma ciclase diferente, chamada McjC, para produzir eficientemente um inibidor potente de uma integrina promotora de câncer.
“A capacidade de gerar diversidade de peptídeos lasso é importante para otimizar medicamentos”, disse Mark Burk, CEO da Lassogen. “As enzimas da natureza nem sempre nos permitem produzir os peptídeos lasso de interesse e a capacidade de projetar ciclases lasso expande muito a utilidade terapêutica dessas moléculas incríveis.”
“Nosso trabalho não teria sido possível sem acesso à computação poderosa e aos avanços recentes em inteligência artificial e métodos biossintéticos sem células”, disse Douglas Mitchell, John e Margaret Witt Professor of Chemistry. “Este trabalho é um exemplo extraordinário de como as colaborações interdisciplinares são catalisadas no Carl R. Woese Institute for Genomic Biology. Sou grato ao tema MMG no IGB e aos nossos colegas externos na Lassogen por sua participação na solução deste problema complicado.”
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