Un metodo computazionale sviluppato all’EPFL consente di tenere esplicitamente conto dell’impatto dell’acqua nella progettazione di recettori di membrana con una migliore stabilità e segnalazione.
Le proteine sono i motori della vita e alimentano processi come il movimento muscolare, la visione e le reazioni chimiche. Il loro ambiente - acqua, membrane lipidiche o altre fasi condensate - è essenziale per il loro funzionamento e ne modella la struttura e le interazioni.
Tuttavia, molti metodi moderni di progettazione delle proteine, compresi gli strumenti basati sull’intelligenza artificiale, spesso trascurano l’influenza di questi ambienti sulle proteine. Ciò limita la nostra capacità di creare proteine con nuove funzioni, frenando il potenziale progresso.
I recettori di membrana sono un gruppo di proteine particolarmente sensibili al loro ambiente specifico. Come "antenne" biologiche, rilevano i segnali provenienti dall’ambiente e attivano le risposte cellulari.
I recettori accoppiati a proteine G (GPCR), in particolare, svolgono un ruolo centrale nel modo in cui le cellule percepiscono e rispondono agli stimoli esterni. Per effettuare la loro segnalazione, i GPCR si affidano a una delicata interazione tra stabilità strutturale, flessibilità e legame con il ligando, un equilibrio spesso mediato dall’acqua. Queste interazioni permettono ai GPCR di cambiare forma e di comunicare alla cellula i segnali ricevuti.
L’importanza di questi guardiani molecolari per il funzionamento delle cellule è tale che circa un terzo dei farmaci in commercio ha come bersaglio questi recettori. Anche l’ingegneria delle proteine sta concentrando i propri sforzi su questi recettori, al fine di modificarli per migliorare l’efficacia dei farmaci, sviluppare nuovi trattamenti o addirittura riutilizzarli come biosensori nella biologia sintetica.
Il problema? I GPCR sono incredibilmente complessi e la loro sottile dipendenza dall’acqua per funzionare li rende impossibili da produrre razionalmente... fino ad ora.
Un team guidato da Patrick Barth, professore presso il Laboratorio di Ingegneria delle Proteine e delle Cellule dell’EPFL, ha sviluppato strumenti informatici in grado di modificare la scala delle interazioni acqua-diffuse dei GPCR al fine di progettare nuovi recettori di membrana con prestazioni migliori rispetto alle loro controparti naturali. Pubblicato su Nature Chemistry, questo lavoro apre la strada a farmaci più efficaci e a nuovi strumenti di biologia sintetica.
"L’acqua è onnipresente", spiega Lucas Rudden, coautore principale dello studio. "È l’eroina non celebrata della funzione delle proteine e spesso viene trascurata nella progettazione, in particolare quando si tratta di allosteria dei recettori di membrana, perché è difficile da modellare esplicitamente. Volevamo sviluppare un metodo in grado di progettare nuove sequenze tenendo conto dell’impatto dell’acqua in queste complesse reti di legami idrogeno, che sono essenziali per mediare i segnali nella cellula".
Il cuore di questo sforzo è uno strumento di progettazione al computer chiamato SPaDES. Gli scienziati lo hanno utilizzato per creare GPCR sintetici. Partendo dal recettore dell’adenosina A2A come modello, si sono concentrati sulla modifica dei suoi "centri di comunicazione", i siti di interazione chiave tra le molecole d’acqua e gli amminoacidi. Questi centri agiscono come quadri elettrici, trasmettendo informazioni a tutta la proteina. Progettando reti che ottimizzano le connessioni attraverso l’acqua, il team ha creato 14 varianti del recettore.
Il software SPaDES ha permesso di simulare come questi cambiamenti avrebbero influenzato le forme e le funzioni dei recettori in diversi stati critici. Dopo uno screening al computer, il team ha sintetizzato i recettori più promettenti e ne ha testato l’attività nelle cellule.
Il risultato è stato notevole: la densità delle interazioni diffuse dall’acqua si è rivelata un fattore determinante dell’attività dei recettori. Quelli con il maggior numero di interazioni hanno mostrato una maggiore stabilità ed efficienza di segnalazione. Il design più promettente, chiamato Hyd_high7, ha persino adottato una forma inaspettata e imprevista, convalidando i modelli di design.
I 14 nuovi recettori hanno superato le loro controparti naturali sotto diversi aspetti, tra cui la capacità di rimanere stabili a temperature elevate e la maggiore capacità di legare molecole di segnalazione. Queste qualità li rendono non solo funzionalmente superiori, ma anche più robusti per la scoperta di farmaci e la biologia sintetica.
Questo lavoro ha un grande potenziale per la medicina e la biotecnologia. Consentendo la progettazione precisa di recettori di membrana, il nuovo metodo potrebbe portare a terapie più mirate per malattie come il cancro e i disturbi neurologici. Oltre alla medicina, questi recettori sintetici potrebbero essere utilizzati nei biosensori o in altri strumenti per rilevare i cambiamenti ambientali.
I risultati mettono anche in discussione le ipotesi classiche sul funzionamento dei GPCR, rivelando una flessibilità inaspettata nelle loro reti di interazione con l’acqua. Ciò apre nuove prospettive per esplorare il potenziale inespresso di queste proteine, sia in natura che in laboratorio.
Riferimenti
Chen, K.-Y., Lai, J. K., Rudden, L. S. P., Wang, J., Russell, A. M., Conners, K., Rutter, M. E., Condon, B., Tung, F., Kodandapani, L., Chau, B., Zhao, X., Benach, J., Baker, K., Hembre, E. J., Barth, P. (2025). Progettazione computazionale di recettori di membrana altamente attivi sul piano della segnalazione attraverso reti allosteriche mediate da solventi. Nature Chemistry 23 gennaio 2025. DOI: 10.1038/s41557-024-01719-2
