Misurare le interazioni molecolari

La scienza ha già visto diverse "omiche", come la genomica o la proteomica. La prima si occupa dell'analisi sistematica di tutti i geni di un organismo, la seconda della totalità delle proteine di un'unità biologica.

Con l'interattomica proteina-metabolita, il gruppo di Paola Picotti, professoressa di biologia dei sistemi molecolari, sta ora aggiungendo un'altra "omica" alla lista. Ha appena pubblicato un articolo sulla rivista Lato esternoCellula ha pubblicato uno studio in cui analizza, quantifica e correla sistematicamente le interazioni di tutte le proteine con piccole molecole metaboliche, i metaboliti, a livello dell'intero proteoma per la prima volta.

Le interfacce fanno la differenza

I ricercatori hanno dimostrato quanti dei peptidi contenuti in un E. coli-Le proteine e gli enzimi di una cellula batterica interagiscono con i metaboliti. Gli scienziati hanno utilizzato un approccio che chiamano proteolisi limitata (LiP), abbinato a misure di spettrometria di massa.

I ricercatori hanno estratto la linfa cellulare dalla cellula batterica insieme a tutte le proteine in essa contenute. Hanno aggiunto un metabolita a ciascun campione e lo hanno fatto interagire con le proteine. Infine, hanno fatto tagliare le proteine in frammenti più piccoli (peptidi) con delle "forbici molecolari". In questo modo, i ricercatori hanno testato un totale di 20 diversi metaboliti e la loro interazione con le proteine.

Quando una proteina interagisce con un metabolita, sia che venga a trovarsi nel suo centro attivo sia che si agganci altrove, la struttura della proteina cambia. Le "forbici molecolari" la tagliano in punti diversi rispetto alla struttura originale, dando origine a una serie diversa di peptidi.

Utilizzando lo spettrometro di massa, i ricercatori hanno misurato tutti i frammenti presenti nel campione e hanno ricostruito al computer le differenze strutturali o i cambiamenti e dove questi sono localizzati nella proteina utilizzando i dati ottenuti.

La conoscenza dell'interattoma proteina-metabolita, cioè delle interazioni tra proteine e metaboliti e delle reti molecolari (di segnalazione) associate, è stata finora molto modesta rispetto a quella delle interazioni tra le proteine stesse o tra proteine e DNA o RNA. Questo studio ha aumentato improvvisamente queste conoscenze.

Scoperte centinaia di nuove interazioni

Per E. coli Utilizzando questo approccio, Picotti e il suo team hanno scoperto circa 1650 diverse interazioni proteina-metabolita, di cui Chi siamo 1400 erano precedentemente sconosciute. Hanno inoltre scoperto migliaia di siti di legame sulle proteine a cui i metaboliti possono agganciarsi. "Sebbene il metabolismo di E. coli e molte delle molecole coinvolte sono già molto conosciute, siamo riusciti a scoprire molte nuove interazioni e i corrispondenti siti di legame", afferma felice il ricercatore. Ciò dimostra l'elevato potenziale dell'approccio scelto. "I dati che abbiamo generato con questa tecnica aiutano a identificare nuovi meccanismi di regolazione, enzimi sconosciuti e nuove reazioni metaboliche nella cellula".

Nel loro studio, i ricercatori hanno anche dimostrato che le piccole molecole metaboliche si legano in modo preferenziale a (e quindi regolano) quelle proteine la cui concentrazione è più o meno costante nel tempo. Ciò suggerisce che il legame dei metaboliti alle proteine e le variazioni della loro concentrazione sono due modi complementari con cui le cellule regolano l'attività delle proteine.

Un cambiamento strutturale regola l'attività

Le proteine possono essere attivate o inattivate in tempi relativamente brevi Chi siamo, grazie a un cambiamento strutturale mediato dai metaboliti. "Tale cambiamento strutturale può essere invertito più rapidamente", spiega Picotti. Dal punto di vista della cellula, questo ha spesso senso. Chi siamo, infatti, deve degradare o ricostruire le proteine. Questo le costa più tempo, energia e risorse.

Picotti e i suoi colleghi sono riusciti a dimostrare che alcuni enzimi sono meno selettivi di quanto si pensasse. A quanto pare, possono legare e convertire chimicamente diversi metaboliti. Finora si pensava che gli enzimi fossero specifici per poche molecole molto simili tra loro.

Testare i principi attivi con un nuovo approccio

L'industria farmaceutica è molto interessata al nuovo approccio. Il metodo può essere utilizzato per testare l'interazione di sostanze attive con le proteine cellulari e identificare i bersagli di un farmaco. In questo modo, i ricercatori possono studiare a quali proteine e a quali siti si lega il principio attivo, come cambia la loro struttura e quindi influenza la loro attività. Questo facilita e accelera i test e lo sviluppo di nuovi principi attivi.

Il professore dell'ETH ha già brevettato il metodo. Il titolare della licenza esclusiva è lo spin-off dell'ETH. Lato esternoBiognosys,che sta testando vari principi attivi per conto di aziende farmaceutiche.