Structure-guided generative design of peptides targeting the FtsQBL divisome complex inhibit Escherichia coli cell division

Motivation

• Known: Divisome 단백질 복합체(특히 FtsQBL)는 박테리아 세포분열에 필수적이며 항생제의 유망한 표적이나, 단백질-단백질 상호작용 억제제 설계의 어려움으로 인해 아직 효과적인 약물이 부족하다.
• Gap: 기존 화학 라이브러리와 전통적 소분자 스크리닝은 크고 평평한 단백질 인터페이스 억제에 부적합하며, periplasm에 위치한 FtsQBL 인터페이스를 특이적으로 표적할 수 있는 구조 기반 펩타이드 설계 전략이 부족하다.
• Why: Divisome은 박테리아 생존에 필수적이고 진핵생물에는 상응하는 복합체가 없으므로 항생제의 새로운 메커니즘을 제공할 수 있으며, periplasmic 위치는 약물 접근성이 높아 그람음성 박테리아 대상 항생제 개발의 가능성을 높인다.
• Approach: InDeep를 이용한 원시 인터페이스 분석으로 FtsQ/FtsB 인터페이스에서 핫스팟 모티프(TFYRL)를 식별하고, 이를 제약 조건으로 하여 RFdiffusion 바인더 설계 모드에서 펩타이드를 생성하며, ProteinMPNN과 AlphaFold2로 최적화한 후 BACTH, BLI, FP 실험과 X-ray 결정학, NMR을 통해 검증한다.

Achievement

Figure 1: Structural models of FtsQ in complex with FtsB/FtsL or RFdiffusion-designed peptides. Structural models

• AI 설계 펩타이드의 구조적 정확성: X-ray 결정학에서 설계된 펩타이드가 예측된 바인딩 기하학을 정확히 채택하며 추가 안정화 상호작용을 도입함을 입증
• 생체 및 시험관 내 특이성 확인: BACTH 어세이와 BLI/FP로 FtsQ 인터페이스에 선택적 결합을 확인
• 기능적 억제 활성: 설계된 펩타이드 과발현이 박테리아 세포분열을 중단시키고 증가된 외막 투과성을 지닌 E. coli 균주에서 성장 억제
• 용액 상태 구조 검증: NMR 분석으로 최적화된 펩타이드가 결합 상태와 일치하는 사전 조직화된 β-헤어핀 구조를 채택함을 확인

How

Figure 1: Structural models of FtsQ in complex with FtsB/FtsL or RFdiffusion-designed peptides. Structural models

• InDeep 인터페이스 매핑으로 FtsQ/FtsB 복합체에서 TFYRL 핫스팟 모티프 식별 및 원시 기하학 제약 설정
• RFdiffusion 바인더 설계 모드에서 모티프 주변 백본 세그먼트 생성, 1,000개 백본 생성 후 ProteinMPNN으로 서열 할당
• AlphaFold2로 모든 펩타이드-FtsQ 복합체 평가, pAE_interaction < 10, 입체 충돌 없음, 연속 β 스트랜드 페어링 유지 기준으로 필터링
• 백본 RMSD와 서열 동일성으로 클러스터링하여 구조 다양성 확보 및 대표 후보 선정
• BACTH, BLI, FP로 생체 및 시험관 내 상호작용 검증
• X-ray 결정학, NMR, 단계별 시험관 내 최적화로 펩타이드 성질 특성화

Originality

• InDeep 인터페이스 분석과 RFdiffusion 생성 설계의 결합: 고객화된 핫스팟 제약을 이용한 모티프 기반 스캐폴딩 전략은 기존 무제약 diffusion 설계와 달리 생물학적으로 검증된 상호작용 기하학을 체계적으로 보존
• β-스트랜드 매개 인터페이스 모방 전략: 기존 RFdiffusion 펩타이드 설계가 주로 globular 바인더에 초점을 맞춘 반면, β-augmentation 상호작용 복제에 특화된 설계는 차별적 접근
• Divisome 표적화의 구조 기반 검증 프레임워크: 원시 구조 분석부터 기능적 세포분열 억제까지의 통합 검증 파이프라인은 박테리아 단백질-단백질 상호작용 억제 전략에 새로운 모델 제시

Limitation & Further Study

• 펩타이드 막 투과성 한계: 설계된 펩타이드는 증가된 외막 투과성을 지닌 특정 균주(imp4213)에서만 항균 활성을 보이므로, 야생형 그람음성 박테리아에서의 생체 이용률 개선 필요
• 스케일링 및 약물화 과정: 펩타이드 기반 항생제로의 개발을 위해 화학 수정, 혈청 안정성, 독성학 데이터, 동물 모델에서의 약효 평가 부족
• 구조 다양성 제한: 8개 선별 펩타이드 중 5개만 RFdiffusion 기반이므로, 더 광범위한 구조 탐색과 다중 스캐폴드 비교 필요
• 다른 divisome 표적과의 비교: FtsQBL 인터페이스만 표적하며, 다른 essential divisome 상호작용(예: FtsK-FtsQ, FtsN 상호작용)과의 조합 전략 미제시

Evaluation

총평: 이 연구는 구조 기반 생성 설계와 rational 제약을 결합하여 박테리아 divisome의 핵심 인터페이스를 표적하는 함수적 펩타이드를 성공적으로 개발하였으며, X-ray 결정학과 생화학적 검증을 통해 AI 설계의 정확성을 입증함으로써 항생제 개발의 새로운 경로를 제시한다. 막 투과성 및 생체 이용률 개선이 과제이나, 구조 기반 대면 인터페이스 설계의 유효성 입증과 divisome 표적화 전략의 개념 검증으로서 의미 있는 기여를 한다.