Stworzenie w probówce enzymów, których zadaniem jest nie występująca w przyrodzie kataliza reakcji chemicznych, jest wielkim wyzwaniem dla inżynierów białek. Naukowcom z University of Washington w Seattle, University of California w Los Angeles (USA) oraz z Weizmann Institute of Science (Izrael) udało się zaprojektować przy pomocy narzędzi bioinformatycznych, a następnie zsyntetyzować in vitro funkcjonalne enzymy - informuje “Nature“.

Odkrycie to otwiera szereg nowych możliwości zastosowania syntetycznych, “szytych na miarę” enzymów, począwszy od neutralizacji czynników broni biologicznej, udoskonalania leków, projektowania wydajniejszych procesów biotechnologii i chemii przemysłowej, a na szeregu innych aplikacji włącznie z nanobiotechnologią kończąc.

Połączenie osiągnięć chemii, matematyki oraz fizyki umożliwiło naukowcom zsyntetyzowanie enzymu zdolnego do przeprowadzenia tzw. eliminacji Kempa, zachodzącej pomiędzy zasadami i związkiem organicznym zwanym 5-nitrobenzoizoksazolem(ang. 5-nitrobenzisoxazole), polegającej na usunięciu protonu z atomu węgla. Istnieje duże zapotrzebowanie przemysłu chemicznego na produkcję związków chemicznych przy pomocy eliminacji Kempa, jednak w przyrodzie nie istnieje enzym zdolny do katalizy tej reakcji.

W pierwszym etapie prac naukowcy zaprojektowali przy pomocy metod obliczeniowych szkielet enzymu (jego miejsce aktywne). Następnym krokiem była kreacja szkieletu składającego się z 200 aminokwasów. Nie jest to łatwe zadanie biorąc pod uwagę, że można otrzymać praktycznie nieskończenie wiele kombinacji 200 aminokwasowych białek przy użyciu zaledwie 20 aminokwasów. Jednak w praktyce wybór ten ogranicza się do niewielu sekwencji, ponieważ określona sekwencja aminokwasów wymusza strukturę białka, a od struktury tej zależy funkcjonalność enzymu.

Z 60 zaprojektowanych enzymów, 8 przeszło do następnego etapu, a ostatecznie naukowcy wybrali trzy odznaczające się najwyższym stopniem aktywności katalitycznej. Jednak tak zaprojektowane białko ma jedną wadę w porównaniui do występujących w naturze - nie jest ono wynikiem ewolucji pozwalającej znaleźć optymalne rozwiązanie do pełnionej przez nie funkcji. Przy pomocy narzędzi umożliwiających mutagenezę in vitro oraz metod skriningu, badacze przeprowadzili ekspresową ewolucję zaprojektowanych enzymów w probówce. Wyniki były zaskakujące: po zaledwie siedmiu etapach mutagenezy in vitro, enzym zwiększył swoją wydajność ponad dwustukrotnie w porównaniu do jego pierwowzoru otrzymanego na komputerze. Co więcej, zaszłe mutacje spowodowały jedynie nieznaczne zmiany w strukturze w pobliżu miejsca aktywnego. W ten sposób bioinformatycy otrzymują dodatkową wiedzę niezbędną przy projektowaniu kolejnych enzymów.

hlbiotech

źródło: Nature.com, ScienceMag.org

———————————
Oryginalne publikacje:
- Daniela Röthlisberger et al., “Kemp elimination catalysts by computational enzyme design”, Nature advance online publication 19 March 2008, Published online 19 March 2008, doi:10.1038/nature06879
- Lin Jiang et al., “De Novo Computational Design of Retro-Aldol Enzymes“, Science 7 March 2008, Vol. 319. no. 5868, pp. 1387 - 1391, doi:10.1126/science.1152692