Натуральные протеины: Натуральный протеин, что же за «зверь» такой

Могут ли синтетические полимеры заменить натуральные белки организма?

Биологические жидкости состоят из сотен или тысяч различных белков (представленных моделями заполнения пространства выше), которые эволюционировали, чтобы работать вместе эффективно, но гибко. Ученые-полимерщики Калифорнийского университета в Беркли пытаются создать искусственные жидкости, состоящие из случайных гетерополимеров (нити внутри сфер) с гораздо меньшей сложностью, но имитирующие многие свойства природных белков (справа), такие как стабилизация хрупких молекулярных маркеров. (Изображение предоставлено: Zhiyuan Ruan, лаборатория Ting Xu)

Большая часть жизни на Земле основана на полимерах 20 аминокислот, которые эволюционировали в сотни тысяч различных узкоспециализированных белков. Они катализируют реакции, формируют позвоночник и мышцы и даже генерируют движение.

Но нужно ли все это разнообразие? Может ли биология работать так же хорошо с меньшим количеством строительных блоков и более простыми полимерами?

Тинг Сюй, Калифорнийский университет в Беркли, специалист по полимерам, так думает. Она разработала способ имитировать определенные функции природных белков, используя только два, четыре или шесть различных строительных блоков — те, которые в настоящее время используются в пластмассах — и обнаружила, что эти альтернативные полимеры работают так же, как и настоящий белок, и их намного легче синтезировать, чем пытаться воспроизвести дизайн природы.

В качестве доказательства концепции она использовала свой метод проектирования, основанный на машинном обучении или искусственном интеллекте, для синтеза полимеров, имитирующих плазму крови. Искусственная биологическая жидкость сохраняла природные белковые биомаркеры нетронутыми без охлаждения и даже делала природные белки более устойчивыми к высоким температурам — улучшение по сравнению с настоящей плазмой крови.

Заменители белка, или случайные гетерополимеры (RHP), могут изменить правила игры в биомедицинских приложениях, поскольку сегодня много усилий направлено на настройку природных белков, чтобы они могли делать то, для чего они изначально не были предназначены, или на попытки воссоздать трехмерную структуру природных белков. Доставка лекарств из небольших молекул, имитирующих естественные белки человека, является одной из горячих областей исследований.

Вместо этого ИИ мог бы выбрать правильное количество, тип и расположение пластиковых строительных блоков — подобных тем, которые используются, например, в зубных пломбах, — чтобы имитировать желаемую функцию белка, и для его создания можно было бы использовать простую химию полимеров.

В случае с плазмой крови, например, искусственные полимеры были разработаны для растворения и стабилизации природных белковых биомаркеров в крови. Сюй и ее команда также создали смесь синтетических полимеров для замены внутренностей клетки, так называемый цитозоль. В пробирке, наполненной искусственной биологической жидкостью, клеточные наномашины, рибосомы, продолжали выкачивать натуральные белки, как будто им было все равно, натуральная эта жидкость или искусственная.

«По сути, все данные показывают, что мы можем использовать эту структуру дизайна, эту философию для создания полимеров до такой степени, что биологическая система не сможет распознать, является ли это полимером или белком», — сказал Сюй, профессор химии, материаловедения и инженерии Калифорнийского университета в Беркли. «Мы в основном обманываем биологию. Вся идея заключается в том, что если вы действительно спроектируете его и введете свой пластик как часть экосистемы, он должен вести себя как белок. Если другие белки говорят: «Хорошо, ты часть нас», тогда все в порядке».

Структура проектирования также открывает двери для разработки гибридных биологических систем, в которых пластиковые полимеры плавно взаимодействуют с природными белками для улучшения системы, такой как фотосинтез. Кроме того, полимеры можно заставить разлагаться естественным путем, что сделает систему пригодной для повторного использования и устойчивой.

«Вы начинаете думать о совершенно новом будущем пластика, а не о всем этом товаре», — сказал Сюй, который также является научным сотрудником Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли.

Она и ее коллеги опубликовали свои результаты в номере журнала Nature от 8 марта.

Удачное сочетание биологических и абиологических полимеров

Сюй рассматривает живую ткань как сложную смесь белков, которые эволюционировали, чтобы гибко работать вместе, уделяя меньше внимания фактической аминокислотной последовательности каждого белка, чем функциональным субъединицам белка, местам, где эти белки взаимодействуют. Так же, как в замковом механизме, где не имеет большого значения, алюминиевый ключ или стальной, фактический состав функциональных блоков менее важен, чем то, что они делают.

Биологические жидкости представляют собой смесь многих различных типов белков, каждый из которых представляет собой полимер из 20 различных аминокислот (слева). Ученые-полимерщики Калифорнийского университета в Беркли пытаются создать искусственные жидкости, состоящие из полимеров (случайных гетерополимеров, справа), с гораздо меньшей сложностью, но имитирующих многие свойства природных белков. (Изображение предоставлено: Zhiyuan Ruan, Ting Xu labb)

А поскольку эти природные белковые смеси эволюционировали случайным образом в течение миллионов лет, должна быть возможность случайным образом создавать подобные смеси с другим алфавитом строительных блоков, если вы используете правильные принципы для их разработки и выбора, освобождая ученых от необходимости воссоздавать точные белковые смеси в живой ткани.

«В природе не так много восходящего, молекулярного, точного проектирования, как мы делаем в лаборатории», — сказал Сюй. «Природе нужна гибкость, чтобы добраться туда, где она есть. Природа не говорит, давайте изучим структуру этого вируса и создадим антиген для его атаки. Он будет экспрессировать библиотеку антигенов и выбирать оттуда тот, который работает».

Эта случайность может быть использована для разработки синтетических полимеров, которые хорошо смешиваются с природными белками, создавая биосовместимые пластмассы легче, чем сегодняшние целевые методы, говорит Сюй.

Работая со специалистом по прикладной статистике Хайяном Хуаном, профессором Калифорнийского университета в Беркли, исследователи разработали методы глубокого обучения, чтобы сопоставить свойства природного белка со свойствами пластикового полимера, чтобы разработать искусственный полимер, который функционирует аналогично, но не идентично, натуральному белку. Например, при разработке жидкости, которая стабилизирует определенные природные белки, наиболее важными свойствами жидкости являются электрические заряды полимерных субъединиц и то, любят ли эти субъединицы взаимодействовать с водой, то есть являются ли они гидрофильными или гидрофобными. Синтетические полимеры были разработаны, чтобы соответствовать этим свойствам, но не другим характеристикам природных белков в жидкости.

Хуанг и аспирант Шуни Ли обучили метод глубокого обучения — гибрид классического искусственного интеллекта (ИИ), который Хуанг называет модифицированным вариационным автокодировщиком (ВАЭ) — на базе данных, содержащей около 60 000 природных белков. Эти белки были разбиты на сегменты по 50 аминокислот, и свойства сегментов сравнили со свойствами искусственных полимеров, состоящих всего из четырех строительных блоков.

Благодаря отзывам об экспериментах аспиранта Чжиюань Руана в лаборатории Сюй, команда смогла химически синтезировать случайную группу полимеров, RHP, которые имитировали природные белки с точки зрения заряда и гидрофобности.

«Мы смотрим на пространство последовательностей, которое природа уже разработала, мы анализируем его, мы приводим полимер в соответствие с тем, что природа уже разработала, и они работают», — сказал Сюй. «От того, насколько точно вы следуете последовательности белков, зависят характеристики получаемого вами полимера. Извлечение информации из устоявшейся системы, такой как встречающиеся в природе белки, — это самый простой способ определить правильные критерии для создания биологически совместимых полимеров».

Коллеги из лаборатории Карлоса Бустаманте, профессора молекулярной и клеточной биологии, химии и физики Калифорнийского университета в Беркли, провели исследования одной молекулы с помощью оптического пинцета и ясно показали, что RHP могут имитировать поведение белков.

«Это аналогичное поведение еще раз указывает на тот факт, что RHP могут принимать структуры, напоминающие структуры белков, и что силы, поддерживающие их принятые структуры, очень похожи на силы, действующие в встречающихся в природе белках», — сказал Бустаманте.

Сюй, Хуанг и их коллеги в настоящее время пытаются имитировать другие характеристики белка, чтобы воспроизвести в пластике многие другие функции природных полимеров аминокислот.

«Сейчас наша цель — просто стабилизировать белки и имитировать самые основные функции белков», — сказал Хуанг. «Но с более совершенной конструкцией системы RHP я думаю, что для нас естественно изучить возможность улучшения других функций. Мы пытаемся изучить, какие композиции последовательностей могут быть информативными в отношении возможных функций или поведения белков, которые может нести RHP».

Платформа дизайна открывает двери для гибридных систем природных и синтетических полимеров, а также предлагает способы более легкого изготовления биосовместимых материалов, от искусственных слез или хрящей до покрытий, которые можно использовать для доставки лекарств.

«Если вы хотите разработать биоматериалы для взаимодействия с вашим телом, для тканевой инженерии или доставки лекарств, или вы хотите сделать покрытие стента, вы должны быть совместимы с биологическими системами», — сказал Сюй. «Эта статья говорит вам следующее: вот правила проектирования. Вот как вы должны взаимодействовать с биологическими жидкостями».

Ее конечной целью является полное переосмысление того, как в настоящее время разрабатываются биоматериалы, потому что современные методы, ориентированные в первую очередь на имитацию аминокислотных структур природных белков, не работают.

«Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов десятилетиями не одобряло ни одного нового материала для полимерных биоматериалов, и я думаю, причина в том, что многие синтетические полимеры на самом деле не работают — мы идем в неправильном направлении», — сказала она. «Мы не позволяем биологии указывать нам, как должен быть разработан материал. Мы рассматриваем отдельные пути, отдельные факторы, а не комплексно. Биология действительно сложна, но очень случайна. Вы действительно должны говорить на одном языке, когда имеете дело с материалами. Это то, чем я хочу поделиться с сообществом материалов».

Другими соавторами статьи являются аспиранты Калифорнийского университета в Беркли Александра Григоропулос, Хаотянь Чен и Иван Джаяпурна; постдокторские научные сотрудники Калифорнийского университета в Беркли Хоссейн Амири и Тао Цзян; студентка бакалавриата Калифорнийского университета в Беркли Чжаойи Гу; и сотрудники Сюй в Массачусетском технологическом институте, Альфредо Александр-Кац и Шайна Хилбург.

Работа финансировалась Министерством обороны США (W911NF-13-1-0232, HDTRA1-19-1-0011), Национальным научным фондом (DMR-2104443), Управлением науки Министерства энергетики (DE-AC02-05-Ch21231) и инициативой Matter-to-Life Фонда Альфреда П. Слоана.

СОПУТСТВУЮЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ

• Гетерополимерный дизайн на основе популяции для имитации белковых смесей ( Nature )
• Веб-сайт Тин Сюй
• Веб-сайт Хайян Хуан
• Веб-сайт Карлоса Бустаманте

Натуральные протеины Kft.

Свиток

Посмотреть наши продукты

Natural Proteins является вашим поставщиком индивидуально изготовленных и отобранных ингредиентов для производства кормов для домашних животных, кормов для животных, кормов для аквакультуры, органических удобрений, олеохимии и биотоплива. Мы поставляем высококачественные животные и растительные белки, масла и жиры, отвечающие всем необходимым требованиям к продукту и законодательству. Это возможно благодаря современному оборудованию для рендеринга и смешивания, а также постоянно растущей сети поставщиков. Мы приглашаем вас ознакомиться с нашим портфолио и будем рады помочь вам получить наилучший результат от вашего конечного продукта.

Корм ​​для домашних животных

Корм ​​для животных

Аквакорм

Удобрение

Олеохем

Биотопливо

Мы знаем о большом влиянии сырья и обработки на конечный результат кормления. Поэтому мы закупаем исключительно свежее и высококачественное сырье и заботимся о лучших стандартах от начала до конца.

Используйте наши профессиональные и большие складские мощности, чтобы лучше управлять поступлением материалов. Эту услугу особенно ценят клиенты, имеющие собственное производство точно в срок.

Забудьте о бумажной работе и сосредоточьтесь на своем основном бизнесе. Мы заботимся о соблюдении всех требований и доставляем ваши товары именно тогда, когда они вам нужны.

Сэкономьте время, деньги и место и позвольте нам индивидуально смешать ваши премиксы. Мы поставляем в упаковке, в которой вы нуждаетесь, и обещаем постоянное качество.

Запрос премикса

Основной задачей Natural Proteins является рост вместе с нашими поставщиками и клиентами.