De novo design of protein interactions with learned surface fingerprints

计算生物学 生物信息学 合成生物学 蛋白质设计 蛋白质-蛋白质相互作用 表面蛋白 功能(生物学) 分子识别 蛋白质工程 蛋白质结构 计算机科学 生物 化学 遗传学 基因 生物化学 病毒学 有机化学 分子
作者
Pablo Gaínza,Sarah Wehrle,Alexandra Van Hall‐Beauvais,Anthony Marchand,Andreas Scheck,Zander Harteveld,Stephen Buckley,Dongchun Ni,Shuguang Tan,Freyr Sverrisson,Casper A. Goverde,Priscilla Turelli,Charlène Raclot,Alexandra Teslenko,Martin Pačesa,Stéphane Rosset,Sandrine Georgeon,Jane Marsden,Aaron S. Petruzzella,Kefang Liu,Zepeng Xu,Yan Chai,Pu Han,George F. Gao,Elisa Oricchio,Beat Fierz,Didier Trono,Henning Stahlberg,Michael M. Bronstein,Bruno E. Correia
出处
期刊:Nature [Springer Nature]
卷期号:617 (7959): 176-184 被引量:81
标识
DOI:10.1038/s41586-023-05993-x
摘要

Abstract Physical interactions between proteins are essential for most biological processes governing life 1 . However, the molecular determinants of such interactions have been challenging to understand, even as genomic, proteomic and structural data increase. This knowledge gap has been a major obstacle for the comprehensive understanding of cellular protein–protein interaction networks and for the de novo design of protein binders that are crucial for synthetic biology and translational applications 2–9 . Here we use a geometric deep-learning framework operating on protein surfaces that generates fingerprints to describe geometric and chemical features that are critical to drive protein–protein interactions 10 . We hypothesized that these fingerprints capture the key aspects of molecular recognition that represent a new paradigm in the computational design of novel protein interactions. As a proof of principle, we computationally designed several de novo protein binders to engage four protein targets: SARS-CoV-2 spike, PD-1, PD-L1 and CTLA-4. Several designs were experimentally optimized, whereas others were generated purely in silico, reaching nanomolar affinity with structural and mutational characterization showing highly accurate predictions. Overall, our surface-centric approach captures the physical and chemical determinants of molecular recognition, enabling an approach for the de novo design of protein interactions and, more broadly, of artificial proteins with function.
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