Many peptide hormones form an α-helix on binding their receptors1-4, and sensitive methods for their detection could contribute to better clinical management of disease5. De novo protein design can now generate binders with high affinity and specificity to structured proteins6,7. However, the design of interactions between proteins and short peptides with helical propensity is an unmet challenge. Here we describe parametric generation and deep learning-based methods for designing proteins to address this challenge. We show that by extending RFdiffusion8 to enable binder design to flexible targets, and to refining input structure models by successive noising and denoising (partial diffusion), picomolar-affinity binders can be generated to helical peptide targets by either refining designs generated with other methods, or completely de novo starting from random noise distributions without any subsequent experimental optimization. The RFdiffusion designs enable the enrichment and subsequent detection of parathyroid hormone and glucagon by mass spectrometry, and the construction of bioluminescence-based protein biosensors. The ability to design binders to conformationally variable targets, and to optimize by partial diffusion both natural and designed proteins, should be broadly useful.

Abstract Many peptide hormones form an alpha-helix upon binding their receptors 1–4 , and sensitive detection methods for them could contribute to better clinical management. De novo protein design can now generate binders with high affinity and specificity to structured proteins 5,6 . However, the design of interactions between proteins and short helical peptides is an unmet challenge. Here, we describe parametric generation and deep learning-based methods for designing proteins to address this challenge. We show that with the RF diffusion generative model, picomolar affinity binders can be generated to helical peptide targets either by noising and then denoising lower affinity designs generated with other methods, or completely de novo starting from random noise distributions; to our knowledge these are the highest affinity designed binding proteins against any protein or small molecule target generated directly by computation without any experimental optimization. The RF diffusion designs enable the enrichment of parathyroid hormone or other bioactive peptides in human plasma and subsequent detection by mass spectrometry, and bioluminescence-based protein biosensors. Capture reagents for bioactive helical peptides generated using the methods described here could aid in the improved diagnosis and therapeutic management of human diseases. 7,8

ABSTRACT Membrane-bound particles in plasma are composed of exosomes, microvesicles, and apoptotic bodies and represent ∼1-2% of the total protein composition. Proteomic interrogation of this subset of plasma proteins augments the representation of tissue-specific proteins, representing a “liquid biopsy,” while enabling the detection of proteins that would otherwise be beyond the dynamic range of liquid chromatography-tandem mass spectrometry in unfractionated plasma. We have developed a one-step enrichment strategy (Mag-Net) using hyper-porous strong-anion exchange magnetic microparticles to sieve membrane-bound particles from plasma. The Mag-Net method is robust, reproducible, inexpensive, and requires <100 μL plasma input. Coupled to a quantitative data-independent mass spectrometry analytical strategy, we demonstrate that we can routinely collect results for >37,000 peptides from >4,000 plasma proteins with high precision. We demonstrate excellent quantitative accuracy and analytical reproducibility of the protocol.

A thorough evaluation of the quality, reproducibility, and variability of bottom-up proteomics data is necessary at every stage of a workflow from planning to analysis. We share real-world case studies applying adaptable quality control (QC) measures to assess sample preparation, system function, and quantitative analysis. System suitability samples are repeatedly measured longitudinally with targeted methods, and we share examples where they are used on three instrument platforms to identify severe system failures and track function over months to years. Internal QCs incorporated at protein and peptide-level allow our team to assess sample preparation issues and to differentiate system failures from sample-specific issues. External QC samples prepared alongside our experimental samples are used to verify the consistency and quantitative potential of our results during batch correction and normalization before assessing biological phenotypes. We combine these controls with rapid analysis using Skyline, longitudinal QC metrics using AutoQC, and server-based data deposition using PanoramaWeb. We propose that this integrated approach to QC be used as a starting point for groups to facilitate rapid quality control assessment to ensure that valuable instrument time is used to collect the best quality data possible.

ABSTRACT It has been demonstrated that elamipretide (SS-31) rescues age-related functional deficits in the heart but the full set of mechanisms behind this have yet to be determined. We investigated the hypothesis that elamipretide influences post-translational modifications to heart proteins. The S-glutathionylation and phosphorylation proteomes of mouse hearts were analyzed using shotgun proteomics to assess the effects of aging on these post-translational modifications and the ability of the mitochondria-targeted drug elamipretide to reverse age-related changes. Aging led to an increase in oxidation of protein thiols demonstrated by increased S-glutathionylation of cysteine residues on proteins from Old (24 months old at the start of the study) mouse hearts compared to Young (5-6 months old). This shift in the oxidation state of the proteome was almost completely reversed by 8-weeks of treatment with elamipretide. Many of the significant changes that occurred were in proteins involved in mitochondrial or cardiac function. We also found changes in the mouse heart phosphoproteome that were associated with age, some of which were partially restored with elamipretide treatment. Parallel reaction monitoring of a subset of phosphorylation sites revealed that the unmodified peptide reporting for Myot S231 increased with age, but not its phosphorylated form and that both phosphorylated and unphosphorylated forms of the peptide covering cMyBP-C S307 increased, but that elamipretide treatment did not affect these changes. These results suggest that changes to thiol redox state and phosphorylation status are two ways in which age may affect mouse heart function, which can be restored by treatment with elamipretide.