Los péptidos Lasso son productos naturales elaborados por bacterias. Su inusual forma de lazo les otorga una estabilidad notable, que los protege de condiciones extremas. En un nuevo estudio, publicado en Naturaleza Química BiologíaLos investigadores han construido y probado modelos sobre cómo se fabrican estos péptidos y han demostrado cómo se podría utilizar esta información para hacer avanzar los medicamentos basados en péptidos Lasso en la práctica clínica.
«Los péptidos Lasso son interesantes porque son básicamente moléculas lineales que se han atado formando un nudo corredizo», dijo Susanna Barrett, estudiante de posgrado en el laboratorio Mitchell (MMG). «Debido a su increíble estabilidad y capacidad de ingeniería, tienen un gran potencial como agentes terapéuticos. También se ha demostrado que tienen propiedades antibacterianas, antivirales y anticancerígenas».
Los péptidos Lasso son moléculas sintetizadas en los ribosomas y modificadas postraduccionalmente. Las cadenas de péptidos se forman uniendo aminoácidos en forma de cadena, lo que hace el ribosoma. Luego, dos enzimas, una peptidasa y una ciclasa, colaboran para convertir un péptido precursor lineal en la distintiva estructura anudada de Lasso. Desde su descubrimiento hace más de tres décadas, los científicos han estado tratando de comprender cómo la ciclasa pliega el péptido Lasso.
«Uno de los principales desafíos para resolver este problema ha sido que es difícil trabajar con las enzimas. Generalmente son insolubles o inactivas cuando se intenta purificarlas», dijo Barrett.
Un contraejemplo poco común es la fusilasina ciclasa, o FusC, que el laboratorio de Mitchell caracterizó en 2019. Los antiguos miembros del grupo lograron purificar la enzima y, desde entonces, ha servido como modelo para comprender el proceso de formación del nudo de lazo. Sin embargo, la estructura de FusC seguía siendo desconocida, lo que hacía imposible comprender cómo la ciclasa interactúa con el péptido para plegar el nudo.
En el estudio actual, el grupo utilizó el programa de inteligencia artificial AlphaFold para predecir la estructura de la proteína FusC. Utilizaron la estructura y otras herramientas basadas en inteligencia artificial, como RODEO, para identificar qué residuos del sitio activo de la ciclasa eran importantes para interactuar con el sustrato del péptido Lasso.
«FusC está formada por aproximadamente 600 aminoácidos y el sitio activo contiene 120. Estos programas fueron fundamentales para nuestro proyecto porque nos permitieron hacer ‘estudios estructurales’ y determinar qué aminoácidos son importantes en el sitio activo de la enzima», dijo Barrett.
También utilizaron simulaciones de dinámica molecular para comprender computacionalmente cómo la ciclasa pliega el lazo. «Gracias a la potencia computacional de Folding@home, pudimos recopilar datos de simulación extensos para visualizar las interacciones a nivel atómico», dijo Song Yin, estudiante de posgrado en el laboratorio de Shukla. «Antes de este estudio, no existían simulaciones de dinámica molecular de las interacciones entre los péptidos del lazo y las ciclasas, y creemos que este enfoque será aplicable a muchos otros estudios de ingeniería de péptidos».
A partir de sus esfuerzos computacionales, los investigadores descubrieron que entre las diferentes ciclasas, la región de la pared posterior del sitio activo parecía ser especialmente importante para el plegamiento. En FusC, esto correspondía a la región de la hélice 11. Luego, los investigadores llevaron a cabo una biosíntesis acelular, donde añadieron todos los componentes celulares necesarios para la síntesis de los péptidos Lasso a un tubo de ensayo con variantes enzimáticas que tenían diferentes aminoácidos en la región de la hélice 11. Finalmente, identificaron una versión de FusC con una mutación en la hélice 11 que podía plegar péptidos Lasso que no pueden ser producidos por la ciclasa original. Estos datos confirman el modelo para el plegamiento de péptidos Lasso que los investigadores desarrollaron con sus enfoques computacionales.
«Cómo las enzimas hacen un nudo es una pregunta fascinante. Este estudio ofrece una primera visión de las interacciones biofísicas responsables de producir esta estructura única», dijo Diwakar Shukla, profesor asociado de ingeniería química y biomolecular.
«También demostramos que estos contactos moleculares son los mismos en varias ciclasas diferentes en distintos filos. Aunque no hemos probado todos los sistemas, creemos que es un modelo generalizable», dijo Barrett.
En colaboración con la empresa Lassogen, con sede en San Diego, los investigadores demostraron que los nuevos conocimientos pueden orientar la ingeniería de ciclasas para generar péptidos Lasso que de otro modo no se podrían fabricar. Como prueba de concepto, diseñaron una ciclasa diferente, llamada McjC, para producir de manera eficiente un potente inhibidor de una integrina que promueve el cáncer.
«La capacidad de generar diversidad de péptidos Lasso es importante para optimizar los fármacos», afirmó Mark Burk, director ejecutivo de Lassogen. «Las enzimas de la naturaleza no siempre nos permiten producir los péptidos Lasso que nos interesan, y la capacidad de diseñar ciclasas Lasso amplía enormemente la utilidad terapéutica de estas asombrosas moléculas».
«Nuestro trabajo no habría sido posible sin el acceso a una informática potente y a los recientes avances en inteligencia artificial y métodos biosintéticos sin células», afirmó Douglas Mitchell, profesor de Química John y Margaret Witt. «Este trabajo es un ejemplo extraordinario de cómo se catalizan las colaboraciones interdisciplinarias en el Instituto Carl R. Woese de Biología Genómica. Agradezco al tema MMG en el IGB y a nuestros colegas externos en Lassogen por su participación en la solución de este complicado problema».
