Engineering alternative scaffold proteins for conditional targeting

QC 2023-10-26

Abstract

När biologi kombineras med ingenjörers strukturerade tankesätt kan naturligt förekommande proteiner förvandlas till användbara verktyg, skräddarsydda för en mängd olika applikationer som endast verkar begränsas av vår fantasi.

Naturligt förekommande proteiner har oftast en dedikerad funktion, en uppgift att utföra, och aktivitetsgraden kan styras genom förändringar i proteinets struktur via interaktion med andra småmolekyler, såsom exempelvis metalljoner. Inspirerad av naturens eleganta lösningar utforskar denna avhandling olika tillvägagångssätt för att konstruera metallreglerade proteiner vars interaktion med ett målprotein kan slås på eller stängas av genom tillgång till kalcium.

Den första strategin kretsar kring att förädla ett existerande protein som redan kan känna igen och interagera med antikroppar till att endast kunna upprätthålla den förmågan i närvaro av kalcium. Tack vare banbrytande molekylärbiologiska tekniker som möjliggjort att vi idag kan klippa och klistra i arvsmassa (DNA) så finns möjligheten att infoga och kombinera gener som uttrycker olika proteinfunktioner. I detta fall kombinerades ett protein som molekylärt kan känna igen och har affinitet för vissa antikroppar med diverse strukturella motiv som kan binda kalcium. För att lyckas utveckla ett kalciumbindande motiv som kan påverka den existerande affiniteten till antikroppar byggdes ett bibliotek med olika motiv med olika förutsättningar för att attrahera kalciumjoner och detta infogades mellan de antikroppsbindande ytorna på proteinet, i hopp om att strukturen och funktionen hos proteinet skulle kunna regleras genom inbindningen av kalcium. Biblioteket genomsöktes efter varianter som uppvisade den eftersökta förmågan, kalciumberoende interaktion med antikroppar, och viiiihittade flera varianter som uppfyllde detta. Genom att undersöka proteinstrukturen på en av dessa nya kalciumberoende antikroppsbindande varianter så kunde vi förklara de underliggande mekanismerna i strukturen som gör att proteinets funktion regleras med hjälp av kalcium.

Vår andra strategi för att konstruera kalciumberoende proteiner är mer generell och syftar till att använda ett bibliotek med proteinvarianter som redan har förmågan att binda kalcium men som kan utvecklas till att interagera med andra molekyler än antikroppar. Vår vision är att kunna utveckla kalciumreglerad affinitet för vilket målprotein som än önskas och hittills har vi utvecklat flera proteiner vars affinitet för sin specifika målmolekyl kan regleras med hjälp av kalcium.

Det finns många tillämpningar där det kan vara användbart att ha ett protein vars funktion kan regleras. En stor del av den moderna läkemedelsutvecklingen drivs av cellfabriker som producerar proteiner, ofta antikroppar, som kan känna igen och hämma cancer eller inflammation när de injiceras i patienter. Cellerna producerar dock andra molekyler som krävs för deras överlevnad samtidigt som de tillverkar antikropparna och därför krävs efterföljande reningssteg som separerar de intressanta proteinerna ifrån biprodukterna. Ett kalciumberoende protein som binder antikroppar kan därför användas för att isolera det potentiella läkemedlet ifrån biprodukterna och därefter lösgöras ifrån antikroppen igen genom borttagning av kalcium.

Proteinbaserad läkemedelsutveckling innebär även fantastiska möjligheter för kreativa terapeutiska strategier. Ett kalciumberoende biologiskt läkemedel kan styras av de naturliga skiftningar i kalciumkoncentration som återfinns i kroppen och exempelvis designas på ett finurligt sätt till att leverera en sjukdomsframkallande molekyl till kroppens egna celler för nedbrytning.ivSammanfattningsvis presenterar denna avhandling olika tillvägagångssätt för att utveckla proteiner vars funktion kan regleras genom tillgången på kalcium för diverse applikationer. Förhoppningsvis kommer dessa kunna bidra till nya tillverkningsprocesser av antikroppsbaserade läkemedel och inspirera till utveckling av framtidens proteinbaserade läkemedel.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-338806