Protein-Pocketom kartiert

Forschende haben Protein-Bindungsstellen bei elf verschiedenen Arten aus unterschiedlichen Lebensbereichen identifiziert

Auf den Punkt gebracht

• Proteinstrukturen aus der AlphaFold-Datenbank: Die Forschenden haben fast 100.000 potenzielle Bindungsstellen an 220.000 Proteinen identifiziert. Die Untersuchung umfasste elf Arten, darunter Menschen, Mäuse und wichtige Nutzpflanzen.

• Verständnis molekularer Interaktionen: Ergebnisse könnten die Entwicklung sicherer Agrochemikalien fördern.

• Evolutionäre Trends: Die Studie deutet auf mögliche Grenzen oder limitierten Bedarf an strukturellen und funktionellen Innovationen hin.

Mithilfe von über 220.000 KI-vorhergesagten Proteinstrukturen aus der AlphaFold-Datenbank und hochentwickelten computergestützten Taschenerkennungswerkzeugen identifizierten die Bioinformatiker Hanne Zillmer und Dirk Walther fast 100.000 potenzielle Bindungsstellen in den elf Arten. Sie verglichen und gruppierten diese Stellen innerhalb und zwischen den Arten und erstellten eine globale „Karte” der Bindungsstellen und ihrer zugehörigen Merkmale. Zu den analysierten Proteomen gehörten diejenigen von Menschen, Mäusen, Hefen, dem Darmbakterium E. coli und einer Nematodenart sowie wichtige Nutzpflanzenarten wie Reis und Mais. „Die Verfügbarkeit von KI-basierten und zuverlässig vorhergesagten Proteinstrukturen, wie sie von AlphaFold generiert werden, ermöglicht nun eine beispiellose Breite und Tiefe struktureller Untersuchungen”, sagt Doktorandin Hanne Zillmer.

Die Studie offenbarte einen überraschenden evolutionären Trend: Mit der Entwicklung komplexerer Proteome – Proteom: die Gesamtheit aller Proteine einer Spezies – nahm die Vielfalt ihrer Bindungsstellen sublinear zu. Einfacher ausgedrückt: Während die Anzahl der Proteine mit der Evolution zunahm, wuchs die Anzahl der unterschiedlichen molekularen Interaktionsstellen weniger als proportional, was auf mögliche Grenzen oder geringen Bedarf an strukturellen und funktionellen Innovationen hindeutet.

Weniger Interaktionsstellen als erwartet

„Wir hatten erwartet, dass mehr Proteine proportional zu einer größeren Vielfalt an Interaktionsstellen führen würden“, sagt Walther, Professor für Bioinformatik, „stattdessen scheint die Evolution entweder bei der Gestaltung völlig neuer Bindungsstellen eingeschränkt zu sein, oder es besteht nur ein begrenzter Bedarf an völlig neuen Interaktionsmodi.“ „Mit dieser nun verfügbaren umfassenden Übersicht über die Pocketome verschiedener Spezies wird eine systematische Untersuchung der molekularen Interaktionen zwischen Proteinen und kleinen Molekülen sowie das Verständnis der spezies- oder gattungsspezifischen Bindungsmodi erheblich erleichtert“, sagt Hanne Zillmer.

Darüber hinaus liefert die Forschung eine Perspektive über viele Spezies hinweg, die in diesem Bereich bisher weitgehend fehlte. Während sich die meisten früheren Studien auf biomedizinische Anwendungen und die Arzneimittelwirksamkeit von Bindungsstellen oder Unterschiede zwischen Arzneimittel-Protein- und Metabolit-Protein-Bindungsereignissen konzentrierten, betont diese Studie die evolutionären Trends und die strukturelle Vielfalt im gesamten Stammbaum des Lebens. Artenübergreifende Vergleiche werden beispielsweise auch dazu beitragen, sicherere Agrochemikalien zu entwickeln, die speziell auf Krankheitserreger abzielen, aber in Bestäubern oder Menschen inaktiv sind.