Molekulski stroji na osnovi proteinskega origami iz obvitih vijačnic
Nosilec projekta: prof. dr. Roman Jerala (ERC projekt za uveljavljene raziskovalce)
Cilj je pospešiti raziskave modularnih proteinov, ki temeljijo na gradbenih modulih obvitih vijačnic (ang. coiled-coil protein origami, CCPO), in izkoristiti edinstvene lastnosti te platforme. Ta vrsta novo zasnovanih proteinov je opredeljena z zaporedjem modulov za oblikovanje dimerov, ki jih tvorijo obvite vijačnice (CC) tvorijo, fleksibilni povezovalni elementi pa jih povežejo v eno samo polipeptidno verigo, ki se samosestavi v poliedrsko kletko na podlagi parov CC interakcij.
V projektu želimo zgraditi temelje nove veje znanosti o oblikovanju proteinov, razviti in izkoristiti edinstvene značilnosti novo zasnovanega proteinskega origami z obvitimi vijačnicami (CCPO), da bi omogočili nove tehnologije dostave zdravil, gradnjo zapletenih materialov, senzorjev, načrtovanje molekularnih strojev in novih naprednih terapij.
Rezultati
Poročamo o napredku ter več zanimivih dosežkih vzdolž predlaganih smeri projekta »MaCChines« in tudi o nekaterih novih idejah, ki so bile zasnovane in uresničene med tem projektom.
Razvili smo več vrst funkcionaliziranih CC modulov in jih uporabili za različne funkcije:
- Novi moduli obvitih vijačnic, katerih interakcija je odvisna od kovinskih ionov ali pH (Aupič in sod., 2018)
- Fuzija modulov CC s cepljenimi proteazami za načrtovanje hitro odzivne celične logike (Fink in sod., NatChemBiol 2019)
- Uporaba modulov CC za modulacijo lokalizacije in uravnavanje biokemičnih / bioloških procesov (Lebar in sod., 2020)
- S kovinskimi ioni regulirano sestavljanje načrtovanih modularnih proteinskih kletk (Aupič in sod., 2022)
- Uravnavanje delovanja celic s strategijo segmentacije de novo načrtovanih štirivijačnih snopov (Merljak in sod., 2023)
- Oblikovanje kondenzatov CC-tekoče fazne separacije v sesalskih celicah (Ramšak in sod., 2023)
Predstavili smo nekaj novih strategij sestavljanja in karakterizacije CCPO:
- Večverižni sklop CCPO (Lapenta in sod., 2021)
- Načrtovane poti zvijanja proteinov in uporaba več kopij iste vrste peptida CC (Aupič in sod., 2021)
- Karakterizacija in določitvev kristalne strukture nanodelcev, ki se vežejo na načrtovane CC module in njihova vezava na različne CCPO poliedre (Majerle in sod., 2021)
- Kristalna struktura de novo zasnovanega CC origami trikotnika (Satler in sod., 2023)
- Samosestavljanje iz preorganiziranih cikličnih modulov (Snoj in sod., 2024)
- Spajanje spektrinskih modulov pri zasnovi nanofilamentov (Mezgec in sod., 2024)
CC module smo uspešno uporabili pri funkcionalizaciji proteinov:
- Regulacija proteinske funkcije (Plaper in sod., Cell Disc., 2024; Verbič in sod., 2024) in regulacija sesalskih celic (Plaper in sod., Cell Chem. Biol., 2024)
- Tetramerne ovitovijačne strukture vodijo nanostrukturno sestavljanje (Vidmar in sod. 2025)
Uporabili smo načrtovane peptide z obvitimi vijačnicami za spajanje Cas9 in eksonukleaze na nekovalenten način, kar je bistveno izboljšalo učinkovitost inaktivacije genov z aplikacijami v medicini, kmetijstvu in biotehnologiji. Vložili smo patentno prijavo: Povezovanje CRISPR-CAS in eksonukleaz, posredovano z obvitimi vijačnicami za izboljšano urejanje genoma: Evropska patentna prijava EP19192490.1, 2019-08-20. München: Evropski patentni urad. Ta izum je bil temelj ERC PoC projekta CCEdit (2020-2022), katerega dognanja smo objavili v Lainšček in sod., 2022.
Oprema
Krio elektronski mikroskop Glacios je sofinancirana oprema v okviru projekta MaCChines.
Nosilec projekta prof. dr. Roman Jerala
Sodelujoči raziskovalci in doktorski študenti dr. Helena Gradišar, dr. Ajasja Ljubetič, dr. Arvind Kumar Gupta, dr. Weijun Zhou, dr. Fabio Lapenta, dr. Žiga Strmšek, dr. Maruša Ramšak, Sara Vidmar, dr. Hana Esih, dr. Jaka Snoj, dr. Klemen Mezgec, dr. Tadej Satler.
Akronim MaCChines
Projektna ID 787115
Projekt financira Evropski raziskovalni svet (ERC) v okviru Obzorja 2020, okvirnega programa Evropske unije za raziskave in inovacije (številka projekta 787115).