タンパク質設計
タンパク質間相互作用は、ほとんどの生物学的プロセスに関与している。アルツハイマー病、多くのがん(TP53など)、ヒト免疫不全ウイルス(HIV)感染症など、治療が最も困難な疾患の多くは、タンパク質間相互作用が関係している。したがって、このような疾患を治療するためには、相互作用のパートナーの1つに結合し、その結果、疾患の原因となる相互作用を破壊するタンパク質またはタンパク質様治療薬を設計することが望ましい。そのためには、パートナーとの親和性を持つタンパク質治療薬を設計する必要がある。
タンパク質の安定性を支配する原理は、タンパク質間の結合を支配するため、タンパク質間相互作用は、タンパク質設計アルゴリズムを用いて設計することができる。しかし、タンパク質間相互作用設計では、一般的なタンパク質設計にはない課題がある。最も重要な課題の1つは、一般に、タンパク質間の界面はタンパク質コアよりも極性が高く、結合には脱溶媒和と水素結合形成のトレードオフが伴うことである。この課題を克服するために、Bruce Tidorらは、静電的寄与に着目して抗体の親和性を改善させる方法を開発した。その結果、研究で設計された抗体の場合、界面の残基の脱溶媒和コストを下げることで、結合ペアの親和性が高まることを発見した。
いくつかの膜貫通型タンパク質の設計が成功しており、その他に多くの膜関連ペプチドやタンパク質もともに成功している。最近、Costas Maranasらは、大腸菌由来の外膜ポリンType-F(OmpF)の細孔径を任意のサブナノメートルサイズに再設計し、それらを膜に組み込んでオングストロームスケールの精密な分離を実行する自動化ツールを開発した。
デッドエンド削除 (dead-end elimination、DEE) アルゴリズムは、大域的最低エネルギー配座(global lowest energy conformation、GMEC)の一部ではないことが証明できる回転異性体を削除することにより、問題の探索空間を反復的に縮小する。各反復において、デッドエンド削除アルゴリズムは、各残基位置で可能なすべての回転異性体のペアを比較し、別の回転異性体 ri よりも常に高いエネルギーを持つことが示すことができ、したがってGMECの一部ではない各回転異性体 r′i を除去する。
E ( r i ′ ) + ∑ j ≠ i min r j E ( r i ′ , r j ) > E ( r i ) + ∑ j ≠ i max r j E ( r i , r j ) {\displaystyle E(r_{i}^{\prime })+\sum _{j\neq i}\min _{r_{j}}E(r_{i}^{\prime },r_{j})>E(r_{i})+\sum _{j\neq i}\max _{r_{j}}E(r_{i},r_{j})}
タンパク質の機能は、タンパク質の構造に大きく依存しており、合理的タンパク質設計では、この関係を利用して、ターゲット構造や折りたたみを持つタンパク質を設計することにで機能を設計する。したがって、定義上、合理的タンパク質設計では、ターゲット構造や構造のアンサンブルを事前に知っておく必要がある。これは、さまざまな方法で特定の機能を果たすタンパク質を見つける定向進化や、配列はわかっているが構造が不明なタンパク質構造予測など、他のタンパク質工学とは対照的である。
多くの場合、ターゲット構造は、他のタンパク質の既知の構造に基づいている。しかし、自然界では見られない新規折りたたみ方がますます可能になっている。Peter S. Kimらは、これまで自然界では見られなかった、非天然のコイルドコイルの三量体や四量体を設計した。David Baker研究室で開発されたタンパク質Top7は、タンパク質設計アルゴリズムを用いて完全な新規折りたたみが設計されている。最近では、Bakerらが、二次構造予測と三次構造の橋渡しをするタンパク質フォールディングファンネル(英語版)に基づいて、理想的な球状タンパク質構造を設計するための一連の原理を開発した。これらの原理は、タンパク質構造予測とタンパク質設計の両方に基づいており、5種類の新規タンパク質トポロジーを設計するために使用された。
タンパク質リサーフェシング(protein resurfacing)は、タンパク質の全体的な折りたたみ、コア、および境界領域をそのまま維持しながら、タンパク質の表面を設計することである。タンパク質リサーフェシングは、タンパク質と他のタンパク質との結合を変更するのに特に役立つ。タンパク質リサーフェシングの最も重要な応用例の一つは、NIHワクチン研究センターでの広域中和HIV抗体を選択するためのRSC3プローブの設計である。最初に、gp120 HIVエンベロープタンパク質と、以前に発見されたb12抗体との結合界面の外側にある残基が設計のために選択された。次に、進化的情報、溶解性、野生型との類似性、およびその他の考慮事項に基づいて、間隔を空けた配列を選択した。次に、Rosetta Designソフトウェアを使用して、選択した配列空間で最適な配列を発見した。その後、RSC3を用いて、長期に渡ってHIVに感染している非進行者の血清中から広域中和抗体VRC01を発見した。