Computational Design of Stable Proteins

Automatizovaný návrh stabilních proteinů

Stabilní proteiny nacházejí široké uplatnění v řadě medicínských a biotechnologických aplikacích. Přírodní proteiny se vyvinuly tak, aby fungovaly převážně v mírných podmínkách uvnitř buněk. V důsledku toho vzniká zájem o stabilizaci proteinů za účelem jejich širšího uplatnění také v průmyslovém prostředí. Obor proteinového inženýrství se v posledních letech rozvinul do úrovně umožňující modifikovat proteiny pro různá využití, ačkoliv identifikace stabilních mutací je stále zatížená drahou a časově náročnou experimentální prací. Výpočetní metody se proto uplatňují jako atraktivní alternativa, která dovoluje prioritizovat potenciálně stabilizující mutace pro laboratorní práci. Během posledních let bylo vyvinuto velké množství výpočetních strategií: i) výpočty energie pomocí silových polí, ii) evoluční metody, iii) strojové učení a iv) kombinace více přístupů. Spolehlivost a využití nástrojů jsou často limitovány predikcí pouze jednobodových mutací, které mají malý dopad na stabilitu proteinů, zatímco sofistikovanější metody pro predikci multibodových mutací vyžadují větší množství práce na straně uživatele.Hlavním záměrem této práce je poskytnout uživatelům plně automatizované metody, umožňující návrh vysoce stabilních vícebodových mutantů bez potřeby pokročilých znalostí bioinformatických nástrojů a zkoumaného proteinu. V této práci jsou prezentovány následující nástroje a databáze: 

FireProt je plně automatizovaná metoda pro návrh stabilních vícebodových mutantů z kategorie tzv. hybridních přístupů. Ve svém výpočetním jádře spojuje jak energetické tak i evoluční metody, přičemž evoluční informace jsou užívány především jako filtry pro časově náročné výpočty energií. Kromě detekce potenciálně stabilizujících mutací se FireProt rovněž snaží spojit tyto mutace do jednoho vícebodového mutanta s minimalizací rizika vzniku antagonistických efektů.

FireProt-ASR je plně automatizovaná platforma pro rekonstrukci ancestrálních sekvencí, která dovoluje uživatelům využít tuto strategii bez nutnosti velkého objemu manuální práce a hluboké znalosti zkoumaného proteinu. FireProt-ASR řeší všechny kroky ancestrální rekonstrukce, včetně sběru biologicky relevantních sekvencí, konstrukce zakořeněného fylogenetického stromu a rekonstrukce ancestrálních sekvencí.HotSpotWizard je nástroj pro návrh mutací a mutačních knihoven za účelem zlepšení stability a aktivity zkoumaných proteinů. Nástroj dovoluje provést i širší analýzu za využití čtyř různých strategií běžně používaných v oboru proteinového inženýrství: i) identifikace evolučně variabilních pozic v blízkosti katalytických kapes a tunelů, ii) identifikace pohyblivých regionů, iii) výpočet sekvenčního konsensu a iv) identifikace korelovaných pozic.FireProt-DB je databáze dostupných experimentálních dat popisujících stabilitu proteinů. Hlavním účelem této databáze je standardizovat data v oblasti proteinové stability, poskytnout uživatelům platformu k jejich snadnému ukládání a umožnit intuitivní vyhledávání, které by mohly být využité k trénování nových nástrojů s využitím technik strojového učení.

proinové inženýrství, stabilita proteinů, predikce stability, vícebodové mutace, ancestrální rekonstrukce sekvencí

MUSIL, Miloš. Computational Design of Stable Proteins. Brno, 2021. Disertační práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta informačních technologií. 2021-12-15. Vedoucí práce Zendulka Jaroslav. Dostupné z: https://www.fit.vut.cz/study/phd-thesis/967/