Können Proteine nur aufgrund ihrer Form binden?

Ein Team, das den schnellsten Supercomputer des Landes zur Untersuchung von Proteinbindungen einsetzt, stellt fest, dass einige Bindungsprozesse einfacher sind als erwartet

03.11.2021 - USA

Proteine binden sich durch eine komplexe Mischung chemischer Wechselwirkungen aneinander. Was wäre, wenn sich einige Proteine aufgrund ihrer Form binden, ein viel einfacheres Verfahren? Um diese Frage zu beantworten, nutzten die Forscher Summit, den schnellsten Supercomputer der USA, um Schlüssel-Schloss-Wechselwirkungen zu modellieren. Bei diesen Wechselwirkungen müssen die Moleküle der Proteine, die sich miteinander verbinden, chemisch genau "passen". Das Team testete 46 Proteinpaare, von denen Wissenschaftler wissen, dass sie sich aneinander binden. Anschließend modellierte das Team den Zusammenbau dieser Proteinpaare auf Summit. Von den 46 getesteten Paaren fügten sich 6 auf der Grundlage ihrer komplementären Formen in mehr als 50 Prozent der Fälle zusammen.

Die Ergebnisse könnten zahlreiche Anwendungen in der biologischen Forschung finden. Der Ansatz könnte zum Beispiel bei der Suche nach Medikamenten für die Behandlung von Krankheiten helfen oder den Wissenschaftlern Informationen darüber liefern, wie Proteine als Bausteine für die Entwicklung neuer biologischer Materialien verwendet werden können. Das Team plant, weitere Proteine zu untersuchen, die sich ebenfalls auf der Grundlage ihrer Form binden können - oder sogar noch komplexere Zusammensetzungen bilden. Letztendlich möchte das Team wissen, wie sich Proteinformen entwickeln können, um hierarchische Proteinstrukturen zu bilden.

Damit Proteine erfolgreich aneinander binden können, fungiert eines von ihnen als Ligand, d. h. als Molekül, das sich an ein Zielprotein anlagert, und eines von ihnen fungiert als Rezeptor, d. h. als Molekül, das den Liganden aufnimmt. Dieser Prozess beinhaltet komplexe chemische Wechselwirkungen, bei denen die Moleküle Bindungen austauschen und ihre Konfiguration bei der Bindung ändern. Die Forscher wollten herausfinden, ob sie diese Bindung allein anhand der Form vorhersagen können, ohne die Wechselwirkungen zwischen den Proteinen zu berücksichtigen. Aus einer Datenbank mit mehr als 6.000 Proteinpaaren testete das Team 46 Paare, von denen bekannt ist, dass sie sich aneinander binden, und simulierte ihren Zusammenbau auf Summit, dem 200-Petaflop-Supercomputer der Oak Ridge Leadership Computing Facility.

Das Team entdeckte sechs Proteinpaare, die nur aufgrund ihrer Form miteinander verbunden waren, wobei eines der Paare in über 94 Prozent der Fälle eine Bindung einging. Das Team plant, weitere Proteine zu untersuchen, die auch auf der Grundlage ihrer Form binden können - oder sogar Strukturen höherer Ordnung bilden. In Zukunft möchte das Team herausfinden, wie sich Proteinformen entwickeln können, um hierarchische Proteinstrukturen zu bilden. Das Team hofft, dass es schließlich die Bindung von Protein-Protein-Grenzflächen in Proteinclustern oder Proteinkristallstrukturen vorhersagen kann.

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