Cyclotides: An ultra-stable scaffold for protein engineering
- Reference number
- F06-0058
- Start and end dates
- 080301-140515
- Amount granted
- 8 500 000 SEK
- Administrative organization
- Uppsala University
- Research area
- Life Science Technology
Summary
The overall goal of this project is to explore the possibilities to capitalize on circular proteins, their biosynthesis, and their extraordinary stable scaffold for protein engineering. In particular the potential of cyclotides for medical applications, i.e. determine the structure-activity relationship for their cytotoxic activity and evaluate their potential as anti-infective agents, will be addressed. The circular and cystine knotted cyclotide motif is unique and the resulting ultra-stable protein scaffold might provide one route to overcome poor stability as a hindering factor for protein and peptide drugs. The structural plasticity of the cyclotide framework will be determined to set the limits of the scaffold for protein engineering. This will be done by extensive studies of naturally occurring cyclotides and synthetic mutants, and cyclotide mutants with improved and introduced effects will be optimized. Then, the project aims to describe the biosynthesis of cyclotides, with the final goal to develop an expression system of a non-native, pharmacologically active, cyclotide in planta. As such the project has its base in fundamental research, but sets the stage for applied research, e.g. for molecular farming of cyclotide mutants in transgenic plants.
Popular science description
Proteiner fyller livsviktiga funktioner i alla organismer, i växter såväl som i djur och människor. Man skulle kunna tro att de har en bred användning som läkemedel, men eftersom de så lätt bryts ned av kroppen har deras användning hittills varit begränsad. Vi har upptäckt att vissa växter producerar proteiner som är extremt stabila, så kallade cyklotider. Nu undersöker vi hur cyklotiderna skulle kunna användas som mallar för utveckling av läkemedel. Det som gör dessa proteiner så stabila är att de är cykliska, det vill säga ändarna man återfinner i vanliga proteiner sitter ihop, vilket också gett cyklotiderna sitt namn. Den här extremt sällsynta egenskapen medför att cyklotider kan motstå nedbrytning av de flesta enzym och extrem påverkan av till exempel syror och temperaturer. Tillsammans med det faktum att cyklotider kan modifieras för att ge olika effekter, gör detta att de lovar att vara utmärkta redskap för utveckling av proteinläkemedel. Idag tror man att cyklotider produceras och används av växten som försvarssubstanser, och de har visat sig ha god effekt som skydd mot insektsangrepp. De finns dock inte i alla växter och ett delmål av projektet är att ta reda på i vilka växter de finns och vilka strukturer de kan anta. Det är dock de effekter cyklotiderna visat i mänskliga testsystem som gör dem mest intressanta för oss. Framförallt är vi intresserade av deras goda effekter mot cancerceller, och vi försöker nu ta reda på vilka delar av cyklotiden som ger den celldödande effekten och därigenom hur vi kan förbättra och kontrollera den. Dessutom kommer jag i projektet att undersöka anti-HIV och antimikrobiell effekt. En del av projektet har också som mål att kartlägga i detalj hur det går till när proteinet dödar cancercellerna. Det här är också mycket viktigt för andra applikationer av cyclotider, men i det fallet så vill man undvika deras celldödande effekter. Därför har detta projekt också som mål att ge kunskap om hur vi kan modifiera proteinet så att den celldödande effekten försvinner. Projektet har också ett annat mål, och det är att beskriva hur dessa unika proteiner produceras i växten. Idag vet vi mycket lite om hur det går till och dessa studier kommer således att leda till helt nya kunskap om biosyntes av proteiner och nya sätt att få växter att uttrycka proteiner som kan användas som läkemedel—projektet är således att klassificera som grundforskning, men med många spännande tillämpningar