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AlphaDesign: A de novo protein design framework based on AlphaFold

蛋白质设计 计算生物学 蛋白质结构 蛋白质折叠 分子动力学 折叠(DSP实现) 蛋白质组 蛋白质工程 结构生物信息学 蛋白质结构预测 生物系统 计算机科学 化学 生物 生物信息学 计算化学 生物化学 工程类 电气工程
作者
Michael Jendrusch,Jan O. Korbel,S. Kashif Sadiq
标识
DOI:10.1101/2021.10.11.463937
摘要

De novo protein design is a longstanding fundamental goal of synthetic biology, but has been hindered by the difficulty in reliable prediction of accurate high-resolution protein structures from sequence. Recent advances in the accuracy of protein structure prediction methods, such as AlphaFold (AF), have facilitated proteome scale structural predictions of monomeric proteins. Here we develop AlphaDesign, a computational framework for de novo protein design that embeds AF as an oracle within an optimisable design process. Our framework enables rapid prediction of completely novel protein monomers starting from random sequences. These are shown to adopt a diverse array of folds within the known protein space. A recent and unexpected utility of AF to predict the structure of protein complexes, further allows our framework to design higher-order complexes. Subsequently a range of predictions are made for monomers, homodimers, heterodimers as well as higher-order homo-oligomers - trimers to hexamers. Our analyses also show potential for designing proteins that bind to a pre-specified target protein. Structural integrity of predicted structures is validated and confirmed by standard ab initio folding and structural analysis methods as well as more extensively by performing rigorous all-atom molecular dynamics simulations and analysing the corresponding structural flexibility, intramonomer and interfacial amino-acid contacts. These analyses demonstrate widespread maintenance of structural integrity and suggests that our framework allows for fairly accurate protein design. Strikingly, our approach also reveals the capacity of AF to predict proteins that switch conformation upon complex formation, such as involving switches from α -helices to β -sheets during amyloid filament formation. Correspondingly, when integrated into our design framework, our approach reveals de novo design of a subset of proteins that switch conformation between monomeric and oligomeric state.
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