Учёные с помощью инструментов искусственного интеллекта создали ферменты, способные разрезать заранее выбранные белки на две части. Для этого они взяли каталитические центры двух разновидностей протеаз — ферментов, расщепляющих белки, — и заменили остальные участки их структуры. Эффективность разработок исследователи проверили на белках, связанных с неврологическими заболеваниями.
Белки представляют собой длинные цепочки аминокислот, соединённых пептидными связями. Такие связи сами по себе отличаются высокой устойчивостью: их период полураспада оценивается в несколько сотен лет. Однако в окружающей среде белки обычно разрушаются значительно быстрее, поскольку живые организмы выработали несколько способов ускорять распад пептидных связей.
Эти механизмы со временем стали основой для огромного числа специализированных ферментов. Протеазы встречаются повсеместно и обычно быстро расщепляют белки, попадающие в окружающую среду. Новая работа фактически позволяет обойти длительный процесс естественного усложнения таких ферментов и сразу задавать им нужную специализацию.
Пептидная связь возникает, когда аминогруппа соединяется с кислотной группой, а в ходе реакции выделяется молекула воды. У аминокислот есть обе необходимые группы, поэтому они могут связываться с соседними аминокислотами и формировать длинные белковые цепи. Дополнительные боковые цепи аминокислот придают этому общему каркасу различные химические свойства.
Расщепление пептидной связи представляет собой обратный процесс: связь разрывается, а её части соединяются с компонентами молекулы воды. Поскольку оба исходных компонента химически стабильны, без фермента такая реакция происходила бы крайне редко. Именно ферменты обеспечивают её достаточную скорость.
В исследовании использовали два ферментативных механизма. Один из них связан с цинковой протеазой: положительно заряженный атом цинка взаимодействует с разрываемой пептидной связью, отдельными участками фермента и молекулой воды. Затем протеаза частично отнимает протон у воды, активируя её для атаки на пептидную связь и последующего разрушения этой связи.