ИИ научился создавать молекулярные ножницы для точного разрезания белков

Учёные разработали два новых класса ферментов, способных разрезать белки в заранее выбранных местах. Эта технология может изменить подход к созданию лекарств против заболеваний, для которых трудно найти подходящую молекулярную мишень.

Почему некоторые белки так трудно сделать мишенью для лекарства

Большинство процессов в организме зависит от белков. Одни передают сигналы между клетками, другие ускоряют химические реакции, третьи обеспечивают движение, транспорт веществ и работу иммунной системы.

Когда белок начинает работать неправильно, последствия могут быть серьёзными. Он способен нарушать передачу сигналов, накапливаться в клетках или образовывать агрегаты, повреждающие ткани.

Многие лекарства действуют, связываясь с определённым участком белка. Например, небольшая молекула занимает участок, необходимый для работы фермента, и мешает ему выполнять свою функцию.

Но не каждый белок имеет подходящую поверхность или полость, за которую может надёжно закрепиться лекарственная молекула.

Особенно сложными мишенями оказываются белки с гибкими, неупорядоченными участками. Их пространственная форма постоянно меняется, поэтому найти устойчивое место связывания бывает трудно.

Именно такие мишени нередко называют undruggable — труднодоступными для традиционных лекарственных подходов.

Исследователи из лаборатории Дэвида Бейкера предложили использовать другой принцип. Вместо того чтобы блокировать работу белка, можно попытаться разрезать его цепь в определённом месте.

Если разрыв произойдёт в критически важном участке, белок может потерять свою функцию.

Однако для этого необходимо создать исключительно точный молекулярный инструмент.

Как работают протеазы и почему их сложно создавать

Белки состоят из аминокислот, соединённых пептидными связями. Несмотря на микроскопические размеры, эти связи достаточно устойчивы.

В обычной воде при нейтральных условиях самопроизвольный разрыв пептидной связи может занимать сотни лет.

Но в организме подобные реакции происходят постоянно. За них отвечают специальные ферменты — протеазы.

Протеаза распознаёт определённый участок белковой цепи, удерживает его в подходящем положении и ускоряет разрыв связи.

При этом сам фермент после завершения реакции обычно остаётся способным действовать снова.

Это принципиальное отличие каталитического механизма от простого связывания мишени. Одна молекула протеазы потенциально может последовательно обработать множество молекул белка.

Однако создать такой фермент с нуля намного сложнее, чем разработать белок, который просто прикрепляется к выбранной мишени.

Молекулярным ножницам необходимо одновременно выполнять две задачи:

• Распознавать подходящую последовательность аминокислот.
• Располагать химически активные группы с почти атомной точностью, чтобы разрывать нужную связь.

Если изменить положение нескольких атомов, эффективность фермента может резко снизиться или исчезнуть.

Именно эту проблему исследователи попытались решить с помощью методов искусственного интеллекта.

Как искусственный интеллект проектирует новые ферменты

Традиционная биотехнология часто начинается с уже существующего природного фермента. Учёные изменяют его аминокислотную последовательность и проверяют, удалось ли улучшить нужное свойство.

В новых исследованиях использовали другой подход — проектирование de novo, то есть создание белковой структуры с нуля.

Сначала исследователи определяли химическую реакцию, которую должен выполнять будущий фермент.

Затем вычислительные модели подбирали пространственное расположение аминокислотных остатков, способное обеспечить эту реакцию. Вокруг каталитического центра формировалась белковая структура, которая должна была удерживать нужные атомы в правильном положении.

После вычислительного отбора перспективные белки производили экспериментально и проверяли, действительно ли они разрезают заданную последовательность.

Это важный момент: искусственный интеллект не заменял лабораторные исследования. Он помогал находить варианты молекулярной архитектуры, которые затем проверялись физическими экспериментами.

Для оценки результатов использовали биохимические методы и определение пространственных структур белков. В одной из работ исследователи также проверили активность новых протеаз внутри живых клеток млекопитающих.

Два типа молекулярных ножниц показали высокую активность

14 октября в журнале Nature были опубликованы два исследования, посвящённые разным химическим механизмам разрезания белков.

Первое, под руководством Ходже Чхве (Hojae Choi), касалось цистеиновых протеаз.

В их каталитическом центре находится аминокислота цистеин. Её химически активная группа непосредственно участвует в разрыве пептидной связи.

Учёные проверили 69 спроектированных вариантов. Из них 13 оказались активными, что соответствует успешности около 19%.

Лучшие исходные варианты ускоряли разрыв соответствующей связи до 30 миллионов раз по сравнению с реакцией без катализатора.

Особенно существенно, что новые ферменты имели пространственные структуры, сильно отличающиеся от структур природных протеаз. Это означает, что исследователям удалось не просто воспроизвести известный природный механизм в привычной белковой форме, а реализовать его в новых молекулярных конструкциях.

Более того, некоторые созданные протеазы работали внутри живых клеток млекопитающих.

Второе исследование, проведённое группой Анци Чэнь (Anqi Chen) и Кэцзя У (Kejia Wu), было посвящено металлопротеазам.

В отличие от цистеиновых протеаз, здесь ключевую роль играет ион цинка. Он помогает активировать молекулу воды, которая затем участвует в разрыве пептидной связи.

Из 135 проверенных конструкций около 36% проявили способность разрезать предназначенный для них пептидный субстрат.

Лучший исходный вариант ускорял реакцию более чем в 100 миллионов раз. После введения четырёх дополнительных аминокислотных замен ускорение превысило 10 миллиардов раз относительно некатализируемой реакции.

Эти цифры впечатляют, но требуют правильной интерпретации.

Речь идёт о сравнении с чрезвычайно медленной реакцией без фермента. Миллиардное ускорение само по себе не означает, что искусственная протеаза эффективнее природных ферментов или уже пригодна для лечения человека.

Главный доказанный результат другой: исследователи смогли спроектировать с нуля новые белки, способные катализировать химически трудную реакцию с заданной избирательностью.

От болезни Альцгеймера до БАС: какие белки удалось разрезать

Наиболее интересная для медицины часть второго исследования связана с выбором белковых мишеней.

Авторы разработали металлопротеазы, которые избирательно разрезали три человеческих белка, связанных с заболеваниями.

Один из них — амилоид-бета. Этот пептид способен образовывать агрегаты, накапливающиеся в головном мозге при болезни Альцгеймера.

Другой — TDP-43. Этот белок выполняет важные функции в нормальных клетках, однако его патологическое накопление и неправильное расположение связаны с боковым амиотрофическим склерозом и некоторыми формами нейродегенерации.

Третья мишень — сывороточный амилоид A. Этот белок участвует в воспалительных процессах и при определённых условиях может становиться источником амилоидных отложений.

Исследователи показали возможность разрезания выбранных белковых мишеней с помощью специально спроектированных протеаз.

Здесь возникает принципиально новая возможность.

Если удастся научить фермент различать патологическую и нормальную формы белка, теоретически можно будет воздействовать непосредственно на нежелательную молекулярную структуру.

Но пока такого универсального различения не продемонстрировано. Разрезать белок в лабораторном эксперименте и безопасно устранить его патологическую форму в организме — разные задачи.

Например, TDP-43 необходим для нормальной работы клеток. Поэтому неселективное разрушение этого белка может оказаться опасным.

Кроме того, способность разрезать отдельные молекулы амилоид-бета не доказывает, что протеаза сможет эффективно устранять уже сформировавшиеся агрегаты в ткани головного мозга.

RFdiffusion3 расширяет возможности молекулярного проектирования

Важная часть этой научной истории — развитие самих вычислительных инструментов.

Методы семейства RFdiffusion позволяют создавать новые белковые структуры с заданными геометрическими характеристиками.

Для проектирования цистеиновых протеаз в опубликованной работе использовался специализированный вариант RFdiffusion2 — RFD2-MI. Исследование металлопротеаз также опиралось на методы семейства RFdiffusion.

При этом RFdiffusion3 — отдельное, более новое направление разработки, которое нельзя полностью отождествлять с двумя исследованиями Nature.

15 октября 2026 года в Science вышла самостоятельная работа «Atomic functional site scaffolding in biopolymers with RFdiffusion3», посвящённая возможностям этой модели.

Её принципиальная особенность заключается в работе с геометрией отдельных атомов и взаимодействиями белков с другими молекулами.

Прежние методы проектирования нередко сосредотачивались преимущественно на геометрии белковой цепи. Но функция фермента зависит не только от общей формы белка, а от точного взаимного расположения атомов в каталитическом центре и молекуле субстрата.

RFdiffusion3 позволяет учитывать сложные атомные ограничения непосредственно при генерации новых структур.

В опубликованном исследовании авторы экспериментально продемонстрировали создание различных активных катализаторов, включая цинксодержащие протеазы, нацеленные на белок транстиретин, связанный с амилоидными заболеваниями.

Таким образом, результаты Nature и Science представляют собой взаимосвязанные достижения одного научного направления: переход от проектирования формы белка к программированию его химической функции.

Почему новые ферменты могут быть полезнее простых блокаторов

Особенность протеаз заключается не только в способности разрезать нежелательный белок.

Разрыв связи может использоваться как управляемый биологический переключатель.

Во втором исследовании учёные продемонстрировали ещё одну возможность: они создали модифицированные сигнальные белки, включая цитокины, и антагонисты рецепторов, которые активировались после разрезания специально разработанными протеазами.

Цитокины — это белковые молекулы, с помощью которых клетки передают друг другу сигналы, в том числе при иммунных реакциях.

Исследователи снабдили некоторые такие молекулы защитными элементами, ограничивающими их активность. Соответствующая протеаза могла удалить этот элемент и восстановить действие сигнальной молекулы.

Это принципиально отличается от обычного уничтожения белковой мишени.

Одна и та же технология может использовать разрезание белка для противоположных задач: прекращать работу одной молекулы и включать другую.

В перспективе подобные механизмы способны стать основой систем адресной активации лекарств, клеточных переключателей и биологических датчиков.

Например, можно представить лекарственный белок, который активируется только при наличии определённого ферментативного сигнала в нужной ткани.

Но такие клинические системы ещё предстоит разработать и проверить.

Почему молекулярные ножницы пока не стали лекарствами

Главная проблема будущей терапии заключается в том, что протеаза должна действовать не просто эффективно, а исключительно избирательно.

В организме одновременно присутствуют тысячи различных белков. Некоторые содержат похожие последовательности аминокислот.

Если искусственная протеаза начнёт разрезать здоровые белки, последствия могут быть серьёзнее первоначального заболевания.

Кроме того, необходимо решить несколько самостоятельных задач.

Первая — доставка фермента к месту действия. Например, при нейродегенеративных заболеваниях потенциальному лекарству может потребоваться преодолеть гематоэнцефалический барьер, который ограничивает проникновение многих веществ из крови в мозг.

Вторая — стабильность. Белковые лекарства сами могут разрушаться под действием природных протеаз или быстро удаляться из организма.

Третья — иммунная безопасность. Организм способен распознавать искусственно созданные белки как чужеродные и формировать против них иммунный ответ.

Четвёртая — судьба продуктов разрезания. Сам по себе разрыв белковой цепи не гарантирует исчезновения токсичности. Образовавшиеся фрагменты необходимо исследовать отдельно.

Наконец, для некоторых заболеваний важно воздействовать не на все молекулы определённого белка, а только на его патологическую форму.

Нынешние исследования пока не решают весь этот комплекс проблем.

Работа протеаз в лабораторных условиях и клеточных культурах подтверждает принципиальную осуществимость технологии, но не её терапевтическую эффективность.

Что исследователям предстоит доказать дальше

Следующий этап — проверка поведения спроектированных ферментов в более сложных биологических системах.

Особенно важными будут исследования избирательности на фоне множества других белков, способности достигать нужных тканей, устойчивости в организме и безопасности длительного действия.

Потребуются также исследования на подходящих экспериментальных моделях заболеваний, чтобы установить, приводит ли разрезание выбранной мишени к реальному улучшению патологического процесса.

Для врачей и пациентов это означает, что новые результаты пока не меняют существующие рекомендации по лечению болезни Альцгеймера, БАС или амилоидозов.

Но для разработчиков лекарств открывается дополнительное направление.

Раньше основным вопросом часто было, можно ли создать молекулу, достаточно прочно связывающуюся с болезнетворным белком.

Теперь появляется другой вопрос: можно ли создать фермент, который распознает нужный участок белка и выполняет заранее заданную химическую реакцию?

Первые убедительные экспериментальные ответы уже получены.