Proteins are nano-machines which have been evolved naturally over billions of years. If we can utilize this machinery to accomplish our purpose, the benefit will be enormous. In previous protein design researches, the backbone structure of a protein was not altered. This research expands the protein design area to the design of loops in proteins. Here I suggest a computational protein design methodology for grafting a functional loop to a protein. By using this method, we can design proteins with functions that are not achievable by the previous methods. Here, a functional loop of β-lactamase is grafted to penicillin binding protein 5, PBP5. However, the loop and PBP5 are not compatible. Thus, this research focuses on restoring the natural packing between the inserted loop and PBP5. A homology modeling method is applied to make the target structure by using two template structures: the overall scaffold from PBP5 and the loop from TEM-1. Then, amino acids of PBP5 are changed so that the inserted loop can be stably placed on it. 29,680 structures are generated by using MODELLER, and its degree of packing is measured by atomic Voronoi volume. Thirty structures are selected by this measure. To further assess their stability, molecular dynamics simulation is performed on them. Sixteen of them shows good positioning of the loop and the active site residues under the three nano-seconds molecular dynamics simulation. This method does not guarantee the enzymatic activity of the designed protein. Nevertheless, the stability of the loop observed in molecular dynamics simulation suggests that the designed proteins resemble the stable structure with the functionality. Thus this methodology can be used for finding good starting points for the experimental protein designs such as directed evolution methods.
단백질은 수십 억년간의 생명체의 진화과정을 통해 탄생한 일종의 나노머신이라 할 수 있다. 이러한 기구를 우리가 원하는 목적을 수행할 수 있도록 변형할 수 있다면 그에 따른 이익이 클 것이다. 기존의 컴퓨터를 이용한 단백질 설계 연구에서는 단백질의 backbone부분은 고정시키고 side chain의 종류를 바꾸어 줌으로써 이러한 단백질 기능 변형을 유도하였다. 그러나 이 연구에서는 backbone 의 일부를 바꾸는 단백질 설계 기술의 개발에 그 목적을 두고 있다. 단백질 설계의 대상으로는 penicillin binding protein 5를 선택하였고, 이에 β-lactamase의 Ω-loop을 이식하는 연구를 진행하였다. 하나의 단백질의 다른 단백질의 loop를 이식하기 때문에 구조가 서로 안 맞는 문제가 발생한다. 따라서, 이 문제를 해결하는 것이 이 연구의 초점이 되고, 이를 위해서 loop와 PBP5 사이의 소수성 결합을 최대화 하는 단백질 설계 방법을 개발하였다. 첫 단계로 homology modeling 기법을 이용하여 원하는 기능을 가질 대상 구조를 생성하였다. 다음 단계로는 다양한 구조들을 생성하였다. 이러한 구조 들 중 가장 안정할 것으로 예상되는 단백질을 선택함으로써 원하는 기능을 가진 단백질을 찾았다. 이를 위해서는 각 구조의 안정성을 정밀히 측정해야 한다. 이 연구에서는 loop와 PBP5 사이의packing density를 그 지표로 이용하였고, 이를 측정하기 위해서 Voronoi tessellation 방법을 적용하였다. 이 방법을 이용하여 안정한 돌연변이들을 선택하였다. 하지만 더 정교한 안정성 측정을 위해서 분자 동역학 시뮬레이션을 선택된 돌연변이 단백질에 적용하였다. 그 결과, 안정성이 높다고 판단되는 후보군을 찾을 수 있었다. 이 연구는 단백질의 loop를 이식하는 단백질 설계의 방법을 제시하였다. 그 결과 정교한 컴퓨터 시뮬레이션인 분자 동역학 시뮬레이션에서 안정성을 보이는 단백질을 찾을 수 있었다.
