Новости химической науки > Как именно CANVAS подбирал аминокислоты для активного центра?

Процесс подбора аминокислот для активного центра в рамках метода CANVAS — это многоступенчатая компьютерная процедура, которая сочетает в себе разные вычислительные инструменты. Её можно представить как сборку сложного «конструктора», где каждая деталь должна встать на своё место.

🔬 Шаг 1: Размещение теоретического активного центра (Теозима)

Всё начинается не с аминокислот, а с теозима (theozyme). Это не реальная молекула, а идеализированная компьютерная модель, которая показывает, как именно должны быть расположены каталитические группы атомов, чтобы идеально стабилизировать переходное состояние нужной реакции. Для реакции Кемпа теозим включал две ключевые роли:

• Каталитическое основание: Аминокислота аспарагиновая кислота (Asp), которая должна отнять протон от субстрата.

• Донор водородной связи: Аминокислота аспарагин (Asn) или глутамин (Gln), которая помогает удерживать субстрат и стабилизировать переходное состояние.

С помощью программы Triad первую каталитическую аминокислоту (основание) из теозима «закрепляют» на каркасе TIM-барреля в подходящем месте. Затем от неё «выстраивают» переходное состояние, а от него — положение второй аминокислоты (донора связи), обеспечивая идеальную геометрию для катализа.

🚧 Шаг 2: Создание «крышки» для активного центра

Вторая каталитическая аминокислота (Asn/Gln) оказывается расположенной в пустом пространстве над «рабочей» поверхностью TIM-барреля. Её α-углеродный атом служит «якорем» для конструирования специальной структурной «крышки» (lid). Эта крышка нужна, чтобы сформировать замкнутую полость активного центра, куда сможет поместиться субстрат.

• Для создания каркаса крышки использовался генеративный ИИ-инструмент RFdiffusion, который генерировал фрагменты белковой цепи нужной длины и вторичной структуры.

• Затем с помощью ProteinMPNN подбиралась аминокислотная последовательность для этой крышки, которая бы обеспечила её правильную укладку и стабильность. Важно, что идентичности двух ключевых каталитических остатков (Asp и Asn/Gln) при этом сохранялись.

🔬 Шаг 3: Предсказание и проверка структуры

Полученные конструкции проверялись с помощью AlphaFold2 — ИИ, предсказывающего трёхмерную структуру белка по его последовательности. Это позволяло отсеять варианты, которые, скорее всего, не свернутся правильно.

⚡ Шаг 4: Финальная «доводка» активного центра

После того как общая структура белка была спрогнозирована, программа Triad снова бралась за работу. На этот раз она проводила финальную оптимизацию активного центра: перебирала возможные ротамеры (пространственные конформации) боковых цепей аминокислот в полости, чтобы добиться максимальной комплементарности (взаимного соответствия) формы и электростатических свойств с переходным состоянием реакции.

🗑 Шаг 5: Отбор лучших кандидатов

На каждом этапе применялись строгие критерии отбора. В финале оценивались такие параметры, как:

• Доступная для растворителя площадь поверхности переходного состояния.

• Энергия взаимодействия с активным центром.

• Точность геометрии каталитических контактов.

Кандидаты, не прошедшие проверку, отбраковывались, и на следующие этапы выходили только лучшие, как показано на схеме workflow.

📈 Важный нюанс: Спасение лучшего дизайна

Интересно, что в ходе работы возникла проблема. Первые пять вариантов (1-5), созданные на основе одного из каркасов (NT6-CP1 и NT6-CP2), показали низкую растворимость или не экспрессировались. Чтобы спасти ситуацию, учёные пошли на хитрость: они оставили спроектированный активный центр нетронутым, но с помощью нейросети LigandMPNN полностью перепроектировали все остальные аминокислоты в этих белках. Это позволило получить новые, хорошо растворимые варианты, которые и стали семейством ферментов KempTIM. Наиболее активный из них, KempTIM1, и продемонстрировал выдающуюся эффективность.

Источники

• Customizing the structure of minimal TIM barrels to create efficient de novo enzymes. Nature Chemical Biology. Июнь 2026.
• Low-barrier hydrogen bond powers long-range radical transfer in the metal-free ribonucleotide reductase. PNAS. Май 2026.