BindCraft – otwarta platforma AI w służbie projektowania białek

Interakcje fizyczne między białkami wpływają na procesy tak różnorodne jak sygnalizacja komórkowa, wzrost czy odpowiedzi immunologiczne. Możliwość kontrolowania tych interakcji od dawna stanowi cel biologów. Naukowcy wykorzystali sieci neuronowe do opracowywania nowych białek zwanych binderami, zaprojektowanych tak, aby wiązały się z terapeutycznie istotnymi celami – podobnie jak nasz układ odpornościowy używa przeciwciał do zwalczania patogenów. Jednak tego typu systemy, które dzięki uczeniu głębokiemu przewidują struktury białek na podstawie sekwencji aminokwasowych, wymagają zaawansowanej wiedzy z zakresu informatyki.

„Tradycyjne metody odkrywania binderów obejmują przesiewanie dziesiątek tysięcy kandydatów białkowych, co wymaga zarówno rozbudowanej infrastruktury eksperymentalnej, jak i specjalistycznych kompetencji obliczeniowych, których nie posiada każde laboratorium” – wyjaśnia Lennart Nickel, doktorant w Laboratory of Protein Design and Immunoengineering (LPDI) kierowanym przez Bruno Correię w School of Engineering na EPFL. „BindCraft powstał z potrzeby stworzenia bardziej dostępnego, przyjaznego użytkownikowi narzędzia, które pozwala przetestować tylko kilka białek, by uzyskać działający binder.”

Odwrotna inżynieria

Zamiast wprowadzać sekwencje aminokwasowe do sieci neuronowej i następnie żmudnie przesiewać wygenerowane bindery, zespół EPFL – we współpracy z naukowcami z MIT – użył struktur generowanych przez system AlphaFold2 (Google DeepMind), by tworzyć sekwencje nowych binderów odpowiadających pożądanym właściwościom funkcjonalnym, takim jak wiązanie się ze specyficznym celem.

„Dzięki BindCraft odwracamy dotychczasowy schemat: zaczynamy od sieci predykcji struktur białkowych, aby od razu projektować nowe bindery z określonymi właściwościami” – tłumaczy doktorant Christian Schellhaas.

Takie podejście, skupiające się na ograniczonej liczbie projektów binderów zamiast masowego przesiewania ogromnych bibliotek, sprawia, że projektowanie białek staje się nie tylko bardziej efektywne, ale i bardziej dostępne. Wyniki badań zespołu zostały niedawno opublikowane na łamach Nature, przy współpracy naukowców ze Szwajcarii, USA i Holandii.

Jakość ponad ilość

W ramach badań zespół potwierdził skuteczność binderów zaprojektowanych do interakcji z kilkunastoma cząsteczkami biotechnologicznymi i terapeutycznymi, w tym z wirusami AAV (adeno-associated viruses), stosowanymi do dostarczania genów terapeutycznych do komórek docelowych, endonukleazą CRISPR-Cas9 wykorzystywaną w edycji genów, a także z wybranymi powszechnymi alergenami.

Eksperymenty wykazały, że bindery przyłączały się do przewidzianych celów ze średnim wskaźnikiem skuteczności na poziomie 46%, co otwiera drogę do lepszej kontroli terapeutycznej.

„W przypadku AAV chodzi o to, aby umożliwić dostarczanie genów wyłącznie do określonych komórek i tkanek, minimalizując ryzyko działań niepożądanych. Natomiast w przypadku CRISPR-Cas9 nasze bindery mogą hamować aktywność edycji genów i powstrzymywać ją w sytuacjach, w których nie powinna zachodzić” – wyjaśnia pierwszy autor publikacji, Martin Pacesa z LPDI.

Szybka adopcja i przyszłe kierunki

Od czasu publikacji preprintu jesienią ubiegłego roku platforma BindCraft została entuzjastycznie przyjęta w społeczności biologicznej. Pojawiło się wiele próśb użytkowników o rozszerzenie funkcjonalności i dodatkowe modyfikacje.

„Zaskoczyło nas, jak szybko nasze narzędzie znalazło zastosowanie – jest już wykorzystywane także w przemyśle. Prośby od użytkowników stanowią świetną inspirację do dalszego rozwijania metody. Obecnie pracujemy nad adaptacją BindCraft do projektowania mniejszych cząsteczek terapeutycznych, takich jak peptydy” – podkreśla Pacesa.

Źródło: Nature, „BindCraft: one-shot design of functional protein binders”
DOI: 10.1038/s41586-025-09429-6