Znajdź zawartość

Naukowcy z Uniwersytetu w Groningen przekształcili nieenzymatyczne białko w nowy sztuczny enzym. W tym celu dodali do niego 2 abiologiczne składowe katalityczne: nienaturalny aminokwas i kompleks z miedzią. Enzymy są naturalnymi katalizatorami, działającymi w łagodnych warunkach reakcji. To czyni z nich atrakcyjną alternatywę dla przemysłowej katalizy chemicznej, która może wymagać wysokich temperatur i ciśnień, a także toksycznych rozpuszczalników lub metali. Niestety, nie wszystkie reakcje chemiczne mogą być katalizowane przez naturalne enzymy. Jedną z dostępnych opcji jest modyfikacja istniejących enzymów, jednak prof. Gerard Roelfes uważa, że warto też tworzyć całkiem nowe. W 2018 r. jego zespół uzyskał nieenzymatyczne białko, bakteryjny czynnik transkrypcyjny LmrR, który po insercji nienaturalnego aminokwasu p aminofenylalaniny może tworzyć niebiologiczne struktury hydrazonowe. Był to pierwszy enzym, stworzony z wykorzystaniem nienaturalnego aminokwasu jako grupy katalitycznej. Tym razem Roelfes i dr Zhi Zhou posłużyli się LmrR i dodali do niego aż 2 abiologiczne składniki katalityczne: ten sam nienaturalny aminokwas, co wcześniej i kompleks zawierający miedź. Oba mogą aktywować partnerów do reakcji Michaela. By wydajnie i wybiórczo katalizować tę reakcję, oba muszą się jednak znajdować we właściwej pozycji. Zwykłe dodanie obu komponentów do probówki by nie zadziałało: w rzeczywistości, gdyby znalazły się zbyt blisko siebie, wzajemnie by się znosiły. Kompleks zawierający miedź "przyczepia się" do LmrR za pośrednictwem oddziaływań supramolekularnych. Jego położenie jest determinowane przez interakcje z białkiem. Na podstawie tej pozycji ustaliliśmy [z kolei], gdzie by uzyskać miejsce aktywne, powinno się przeprowadzić insercję p aminofenylalaniny. Kiedy stworzono już nowy enzym, potwierdziły się przypuszczenia Roelfesa: dostosowane białko było bardzo wybiórczym katalizatorem reakcji Michaela. To było badanie potwierdzające słuszność koncepcji. Na razie enzym nie jest jeszcze wystarczająco szybki do zastosowań praktycznych, ale za pomocą standardowych technik, takich jak ewolucja ukierunkowana, można to zmienić. « powrót do artykułu

Chemicy z dwóch amerykańskich uniwersytetów, ulokowanych w Los Angeles oraz Waszyngtonie, po raz pierwszy w historii zaprojektowali i zsyntetyzowali funkcjonalne, całkowicie sztuczne enzymy. Jest to ważny krok naprzód w dziedzinie bioinformatyki, jak i potwierdzenie znaczącego rozwoju wiedzy na temat działania tych biologicznych katalizatorów. Zespół, prowadzony przez prof. Kendalla Houka, doniósł o swoim najnowszym dokonaniu w ostatnim numerze czasopisma Nature. Umiejętność projektowania enzymów zdolnych do przeprowadzania oczekiwanych reakcji niewątpliwie znajdzie ogromne zastosowanie. Ochrona przed bronią biologiczną, neutralizacja toksyn, udoskonalanie leków - to tylko kilka przykładów potencjalnych korzyści, jakie możemy już niedługo osiągnąć dzięki dalszym badaniom w tej dziedzinie. Prof. Houk komentuje dokonane przez jego zespół odkrycie: Nareszcie jesteśmy w stanie projektować i syntetyzować enzymy zdolne do przeprowadzania reakcji, których żaden znany z natury enzym nie potrafi katalizować. Naczelnym celem naszych badań jest używanie komputerowych metod obliczeniowych w celu takiego rozplanowania ułożenia przestrzennego aminokwasów w strukturze białka, by było ono w stanie przeprowadzić zaplanowaną przez nas reakcję. Kolejny autor badań, doktorant Jason DeChancie, tłumaczy korzyści płynące ze stosowania enzymów: Enzymy są niezwykle aktywnymi katalizatorami. Pracujemy nad tym, by ujarzmić ich unikalne zdolności i wykorzystać do własnych celów. Chcemy nauczyć się przeprowadzać reakcje, których żaden enzym w naturze nie potrafi katalizować. Te występujące w naturze mają swoje granice funkcjonalności, my zaś chcemy je rozszerzyć. Połączenie osiągnięć chemii, matematyki oraz fizyki umożliwiło naukowcom zsyntetyzowanie enzymu zdolnego do przeprowadzenia tzw. eliminacji Kempa, zachodzącej pomiędzy zasadami i związkiem organicznym zwanym benzoizooksazolem. Zaledwie dwa tygodnie wcześniej ta sama grupa opublikowała wyniki eksperymentu, w którym udało się przeprowadzić w podobny sposób reakcję aldolową, wchodzącą w skład metabolizmu cukrów. Obecne badania są ogromnym krokiem naprzód. Jeszcze bowiem kilka lat temu zastosowanie technik obliczeniowych nie przynosiło oczekiwanych rezultatów. Zarówno moc obliczeniowa komputerów, jak i dokładność programów komputerowych symulujących kształt cząsteczek były zbyt niskie. Można jednak wierzyć, że kolejne lata udoskonalania wspomnianej technologii mogą przynieść jeszcze wiele ekscytujących wyników. Praca nad projektowaniem enzymów jest niezwykle złożonym procesem. Najcięższym jego fragmentem jest wirtualne stworzenie tzw. centrum aktywnego, czyli miejsca w cząsteczce białka, w którym przyłączane są reagujące związki i przeprowadzana jest reakcja. W przypadku przytoczonej wcześniej reakcji aldolowej zadanie było wyjątkowo ciężkie, gdyż na reakcję tę składa się aż sześć kolejnych etapów. Dodatkową trudnością jest potrzeba przeprowadzenia obliczeń o niesamowitej wręcz dokładności, sięgającej jednej setnej nanometra. Cały projekt, sponsorowany przez amerykańską Agencję Badawcza Zaawansowanych Projektów Obronnych (DARPA, od ang. Defense Advanced Research Projects Agency), trwał aż trzy lata. Zespół badaczy był podzielony na dwie grupy: jedna z nich przewidywała optymalny kształt miejsca aktywnego, a zadaniem drugiej było takie dobranie sekwencji aminokwasów w białku, by tę strukturę wytworzyć. Następnie syntetyzowano gotowy związek chemiczny według wskazań komputera i szukano odpowiedzi na pytanie, czy komputerowy algorytm rzeczywiście doprowadził do produkcji enzymu o oczekiwanej aktywności. Technologia opracowana przez Amerykanów znajdzie z pewnością wiele zastosowań. Wszystko wskazuje na to, że umożliwi przeprowadzanie licznych reakcji, które dziś są niemożliwe. Pozwoli także obniżyć koszty wielu innych, których wdrożenie na skalę przemysłową jest dziś nieopłacalne. Jak daleko jesteśmy na drodze do zrealizowania tego planu? Jason DeChancie odpowiada: Myślę, że właśnie do tego doszliśmy. Nasze publikacje dowodzą, że naprawdę stało się to możliwe.