단백질 에너지 지형의 대규모 탐색 및 설계

모든 접힌 단백질은 낮은 에너지의 고유 구조와 부분적 또는 전체적으로 펼쳐질 수 있는 높은 에너지 형태 사이에서 지속적으로 요동합니다. 이러한 희귀 상태는 단백질 기능, 상호작용, 응집 및 면역원성에 영향을 미치지만, 고유 상태에 비해 이해도가 낮습니다. 고유 단백질 구조는 높은 정확도로 예측 가능하지만, 형태 변화와 그 에너지는 여전히 파악하기 어렵고 예측 불가능하며, 대규모 측정을 방해하는 실험적 난제로 인해 기계 학습 및 물리 기반 모델링 개선에 한계가 있었습니다. 본 연구에서는 온전한 단백질 수소-중수소 교환 질량 분석법을 활용하여 수백 개의 단백질 도메인에 대한 형태 변화 에너지를 병렬로 분석하는 다중 실험 접근법을 도입했습니다. 28-64 아미노산 길이의 5,778개 도메인을 분석한 결과, 동일한 폴드와 전반적인 접힘 안정성을 공유하는 서열 간에도 형태 변화에 숨겨진 변이가 있음을 발견했습니다. 13개 도메인에 대한 부위별 수소 교환 NMR 분석은 이러한 요동이 전체 폴드보다 안정성이 낮은 이차 구조 요소를 포함하는 경우가 많음을 보여주었습니다. 또한, 도메인에 대한 전산 모델링을 통해 실험적으로 관찰된 요동과 상관관계가 있는 구조적 특징을 식별했으며, 이를 바탕으로 안정성이 낮은 구조 세그먼트를 안정화하는 돌연변이를 설계할 수 있었습니다. 본 연구의 데이터셋은 단백질 에너지 지형에 대한 새로운 기계 학습 기반 분석을 가능하게 하며, 개발된 실험 접근법은 전례 없는 규모로 이러한 지형을 밝혀낼 것입니다.