Enzymy zbudowane od podstaw

Będąc ważnym krokiem naprzód w projektowaniu białek obliczeniowych, naukowcy zbudowali od podstaw garść enzymów, które skutecznie katalizują określoną reakcję chemiczną. Białka te nie mają naturalnie występujących odpowiedników, a reakcja, która rozkłada wytworzoną przez człowieka substancję chemiczną, nie ma naturalnego katalizatora.

Katalizator kreatywności: Naukowcy opracowali technikę obliczeniową do budowy enzymów od podstaw. Enzym zwany retroaldolazą, którego część pokazano powyżej, został zaprojektowany do rozbijania wiązań węgiel-węgiel w nienaturalnym podłożu chemicznym (model z żółtym i białym sztyftem). Szara siatka jest miejscem aktywnym enzymu, a jej geometria została starannie dopracowana, aby utrzymać substrat na miejscu. Modele pomarańczowego i zielonego sztyftu wskazują składniki enzymu, które są szczególnie ważne w pobudzaniu reakcji do przodu.

Wyjaśnia, że ​​możemy obliczyć strukturę, która katalizuje reakcję tam, gdzie wcześniej jej nie było, mówi Frances Arnold , profesor inżynierii chemicznej i biochemii at Caltech , który nie był zaangażowany w badania. Arnold nazywa nowe enzymy świętym Graalem projektowania białek obliczeniowych. Projektowanie dowolnego białka od podstaw to trudne zadanie; Inżynieria białka, które może pełnić daną funkcję, wymaga znacznie większego wyrafinowania.

David Baker i jego koledzy z uniwersytet Waszyngtoński skupił się na reakcji, która zerwałaby pewne wiązania między atomami węgla. Zdolność do projektowania enzymów, które mogą rozbijać i tworzyć wiązania węgiel-węgiel, może potencjalnie umożliwić naukowcom rozkładanie toksyn środowiskowych, wytwarzanie leków i tworzenie nowych paliw.

Jak relacjonują w dzienniku Nauka , Baker i jego grupa najpierw zaprojektowali idealne miejsce aktywne dla reakcji. Miejsce aktywne to kieszonka w enzymie, w której zachodzi katalizowana reakcja. Aby miejsce aktywne mogło spełniać swoje zadanie, musi mieć precyzyjną geometrię i skład chemiczny, dostosowany do katalizowanej reakcji. Niektóre składniki utrzymują reagujące cząsteczki na miejscu, podczas gdy inne uczestniczą w mechanizmach chemicznych reakcji.

Po obliczeniu miejsca aktywnego naukowcy wykorzystali nowo opracowany zestaw algorytmów do modelowania białek, które mają takie miejsce. Każde zaprojektowane białko zostało uszeregowane według jego zdolności do wiązania reagujących chemikaliów i utrzymywania ich we właściwej pozycji.

Kolejnym krokiem była rzeczywista synteza wybranych białek. Naukowcy wyprowadzili sekwencje genów dla 72 zaprojektowanych enzymów, zamówili fragmenty DNA zawierające te geny i wykorzystali bakterie do przekształcenia genów w białka. Każde białko zostało następnie przetestowane pod kątem zdolności do katalizowania reakcji zrywania wiązania węgiel-węgiel.

Spośród 72 wybranych białek 32 skutecznie pomogło w przebiegu reakcji. Najwydajniejsze białka przyspieszyły reakcję do 10 000 razy bez enzymu.

Chociaż jest to imponujący wyczyn w porównaniu z wcześniejszymi próbami projektowania enzymów, zsyntetyzowane enzymy bledną w porównaniu z naturalnie występującymi. To wcale nie jest zbyt dobre, mówi Baker. Naturalnie występujące enzymy mogą zwiększyć szybkość reakcji o wiele, znacznie większe ilości – nawet biliardy razy.

Jednym z naszych problemów badawczych jest ustalenie, czego brakuje w naszych projektach, co odkryli naturalnie występujące enzymy, mówi Baker. W dalszych badaniach jego grupa przyjęła dwa podejścia do tego problemu: dopracowała swoje algorytmy komputerowe i poprosiła naturę o wkroczenie tam, gdzie naukowcy skończyli. Wykorzystując swoje minimalnie funkcjonalne enzymy jako ewolucyjne punkty wyjścia, naukowcy mogą wykorzystać ukierunkowaną ewolucję do stworzenia bardziej wydajnych katalizatorów.

W przeszłości ukierunkowana ewolucja była alternatywnym podejściem do tworzenia pożądanych enzymów. Ale Baker uważa, że ​​można go wykorzystać jako uzupełnienie podejść obliczeniowych. Projektowanie obliczeniowe daje naukowcom możliwość budowania białek od podstaw, umożliwiając im konstruowanie enzymów do reakcji, które nie mają naturalnego odpowiednika. W ten sposób uwolnilibyśmy się od tyranii konieczności znalezienia czegoś w naturze, od czego można by zacząć, mówi Arnold, którego prace koncentrowały się głównie na ukierunkowanej ewolucji.

Ale ukierunkowana ewolucja zapewnia sposób na wprowadzenie tych strukturalnych poprawek, z którymi algorytmy projektów obliczeniowych nie są jeszcze wystarczająco wyrafinowane, by sobie z nimi poradzić. To właściwie fala przyszłości, mówi Baker, ponieważ te eksperymenty ukierunkowanej ewolucji mogą uchwycić znacznie bardziej subtelne rzeczy, niż możemy uchwycić w obliczeniach.

Baker's nie jest pierwszą grupą, która zajmuje się obliczeniowym projektowaniem enzymów. Na przykład biochemik Caltech Steve może , pionier w projektowaniu białek obliczeniowych, doniósł o tworzeniu enzymów z istniejących białek nieenzymatycznych w 2001 roku. Ale podejście Bakera różni się tym, że nie wykorzystuje istniejących białek jako punktów wyjścia – to prawdziwy projekt de novo.

Arnold mówi, że enzymy Bakera są również silniejsze niż Mayo, ale trudno jest dokładnie określić, o ile więcej. Mówi, że to inny rodzaj enzymu, więc tak naprawdę nie można porównać jabłek i pomarańczy. Ale to całkiem niezłe jabłko.

ukryć